智能手機、平板電腦和超級本等移動消費類設(shè)備面臨著提供豐富、多樣化和即時的網(wǎng)絡(luò)多媒體體驗等不斷增長的需求。系統(tǒng)設(shè)計中從屏幕和外設(shè)（如收音機、照相機和數(shù)據(jù)接口）到應(yīng)用處理器，每個部分幾乎都會發(fā)生變化。這些變化對電源管理功能的實現(xiàn)產(chǎn)生了重大影響，除了需要管理整個系統(tǒng)的電源，還需要提高電源的效率以實現(xiàn)更長的電池續(xù)航時間。

例如，當今最受歡迎的移動設(shè)備都配有多個攝像頭，包括前置和后置攝像頭，一些還可以支持3D攝影和錄像，在一些情況下分辨率可高達4100萬像素。目前，為了實現(xiàn)更好的視覺體驗，大屏幕尺寸正越來越流行，同時伴隨著電容式多點觸控功能的運用，以及在一些最先進的款式中還趨向于配備有3D功能的屏幕。

就無線連接而言，除了GSM、藍牙、Wi-Fi和GPS外，使用近距離無線通信（NFC）技術(shù)進行移動支付的新應(yīng)用增加了更多的射頻（RF）連接。如今的平板電腦和智能手機用戶也在期待高質(zhì)量的通話效果，即更響亮和更高品質(zhì)的揚聲器性能、高品質(zhì)麥克風以及高清晰度音頻回放。此外，像社交網(wǎng)絡(luò)和移動網(wǎng)頁瀏覽等應(yīng)用程序的普及，意味著用戶也在通過3G及4G LTE不斷得到更大的數(shù)據(jù)帶寬。

深入到用戶從未見過的內(nèi)部系統(tǒng)，應(yīng)用處理器僅僅在一兩年時間內(nèi)已從單核發(fā)展到雙核，甚至到目前的四核配置，目的是為了處理越來越多樣化和高性能的功能。一些最新的多核應(yīng)用處理器系列也集成了額外的外設(shè)，如DRAM控制器及ARM Neon這樣的媒體/圖像協(xié)處理器。

當今的移動處理器平臺中可見到的外設(shè)及處理器內(nèi)核的數(shù)量在不斷增多，這也推動了對日益復(fù)雜的電源管理功能的需求。電源管理也必須能夠處理更加復(fù)雜的充電場景，至少能夠滿足當今用戶對其設(shè)備充電時最可能的充電方式，如電腦USB接口、車載充電器以及常規(guī)的交流電源充電器。

多核處理器的影響

圖1說明了各種智能手機中電源管理的子系統(tǒng)。為了給這些子系統(tǒng)供電，電源管理IC必須帶有足夠的降壓或升壓轉(zhuǎn)換器和低壓差線性穩(wěn)壓器（LDO），同時還需滿足上電和斷電時序、高精度耗電計量等需求，為用戶提供預(yù)計的剩余電池續(xù)航時間。由于多內(nèi)核架構(gòu)中時序要求非常關(guān)鍵，上電和斷電控制對應(yīng)用處理器尤為重要。智能電源管理還需要處理數(shù)量不斷增多的傳感器，以支持諸如背光源調(diào)光、相機手勢識別、導(dǎo)航和接近探測等各項功能。

圖1：在現(xiàn)今移動設(shè)備中越來越復(fù)雜的電源管理功能。

在處理器架構(gòu)從單核過渡到雙核架構(gòu)時，電源管理設(shè)計通常傾向于采用同一個電源域同時為兩個內(nèi)核供電。隨著四核處理器的出現(xiàn)，每個處理器內(nèi)核分別由單個穩(wěn)壓器的電源域獨立供電，可使系統(tǒng)設(shè)計人員更加靈活地去控制每個內(nèi)核的供電。處理器中的每個內(nèi)核可以被單獨地關(guān)斷，并且每個穩(wěn)壓器可以合理地降低到一個較小的、滿足最壞情況需求的電流。

去集成的電源管理

多核應(yīng)用處理器的低納米工藝技術(shù)正對電源管理的實現(xiàn)方式產(chǎn)生深遠的影響。在2G手機這樣的較早期平臺中，基帶、應(yīng)用處理器和電源管理芯片（PMIC）通常集成在同一塊芯片之中。這在應(yīng)用處理器采用更低納米技術(shù)工藝制造時已變得不再可能，因為縮小工藝尺寸則要求較低的工作電壓。在采用CMOS工藝的芯片中，更小的器件尺寸降低了所能承受需要的最大電壓。圖2說明了半導(dǎo)體工藝幾何尺寸降低與內(nèi)核和I/O承受電壓之間的關(guān)系，并將這些電壓與電池最大電壓作了比較。

圖2：低納米工藝無法在電池電壓下支持電源管理功能。

因為PMIC需要與電池電壓（一個單芯鋰電池可達4.5V）直接相連，所以它不能采用廣受當今領(lǐng)先制造商歡迎的四核ARM Cortex-A9應(yīng)用處理器所采用的40納米、32納米和28納米工藝來制造。因此，PMIC功能必須從應(yīng)用處理器中分離出來。如今的3G智能手機體現(xiàn)了這一趨勢，典型的方案是一個獨立PMIC為應(yīng)用處理器單獨供電，而旁邊的基帶處理器則帶有內(nèi)置的電源管理。

在一些應(yīng)用中，將PMIC與一個包含有數(shù)字信號處理器（DSP）、音頻編解碼器（CODEC）以及像D類揚聲器放大器和G類耳機放大器等功能的音頻子系統(tǒng)芯片集成在一起是有意義的。Dialog半導(dǎo)體公司的DA9059就是一個為移動應(yīng)用而將PMIC和音頻子系統(tǒng)IC相結(jié)合的實例。它可以使物料清單成本節(jié)省將近43%。

展望未來，4G架構(gòu)將有可能采用兩個復(fù)雜的PMIC，以分別支持基帶處理器和應(yīng)用處理器。

單片PMIC

一個去集成的系統(tǒng)級電源管理解決方案也許可以使用分立元器件來實現(xiàn)。應(yīng)用處理器供應(yīng)商曾經(jīng)提出過由多達6片IC組成的參考設(shè)計。

相反，單片PMIC在一塊芯片中就集成了所有內(nèi)核、I/O和內(nèi)存電源電壓供電所需的降壓轉(zhuǎn)換器，針對外設(shè)的LDO穩(wěn)壓器，電池的充電與智能控制等功能。這不僅使設(shè)計人員可以降低物料清單成本，還可以提高整體能效從而延長電池續(xù)航時間。一些PMIC還支持在一個或多個電源域內(nèi)的動態(tài)電壓調(diào)節(jié)，這有助于針對每項任務(wù)來優(yōu)化處理器能耗，以實現(xiàn)更高的能效。圖3說明了一個集成了多個LDO和降壓轉(zhuǎn)換器、功率監(jiān)控和保護功能的PMIC，它專為多核應(yīng)用處理器的高峰值電流需求而進行了優(yōu)化。

圖3：電源管理正從應(yīng)用處理器中的一項功能轉(zhuǎn)變?yōu)橐粋€獨立的外部PMIC，如Dialog提供的DA9063。

降低BOM成本和電源域靈活性

與類似的分立式解決方案相比，單片外置式PMIC可提供更低的靜態(tài)電流和較低LDO壓差，由此可以實現(xiàn)更高的能效和更低的內(nèi)部功率耗散。在電池充電期間，耗散功率對系統(tǒng)的熱量管理有著更大的影響。一片帶有開關(guān)式電池充電器和電池充電智能監(jiān)控的PMIC在使用1.3A/5V的充電器的環(huán)境下，可以降低超過80%的內(nèi)部功率耗散，因此顯著降低了外殼內(nèi)部的熱量。

新一代的外置式PMIC將電源管理功能集成在一塊芯片上，可接管傳統(tǒng)的用軟件來處理的開/關(guān)控制和上電、斷電時序等系統(tǒng)監(jiān)督任務(wù)，減輕了應(yīng)用處理器的負擔。除了無需應(yīng)用處理器介入就可以控制上電和斷電外，這還有助于提高能源效率，優(yōu)化對電源的管理。

Dialog的Power Commander圖形化工具可以用來配置PMIC監(jiān)測任務(wù)。工程師可以為某個DC/DC降壓轉(zhuǎn)換器和LDO快速地選擇輸出電壓和電流，為最高效率或最低噪聲選擇工作模式，以及通過鼠標拖拽來輕松實現(xiàn)上電和斷電時序。當設(shè)置完成后，被保存的配置可以被編程到內(nèi)置的OTP中，以進行開發(fā)或量產(chǎn)。此外，根據(jù)需要還可以很容易地修改該配置。

本文小結(jié)

在當今移動市場中的成功主要取決于以頗有競爭力的價格，在很短的時間內(nèi)完成良好的性能和豐富的功能設(shè)計。由于高性能、多內(nèi)核低納米先進工藝的應(yīng)用處理器推動了電源管理芯片的發(fā)展，高集成度的PMIC通過簡化設(shè)計、降低物料清單成本以及延長電池續(xù)航時間滿足了這些目標。