電源管理仍是重大挑戰(zhàn)

　　過去電源管理技術(shù)經(jīng)常被整合在應(yīng)用處理器之內(nèi)。然而，隨著電源效能優(yōu)化重要性愈來愈高，且已成為一項(xiàng)技術(shù)挑戰(zhàn)后，這種嵌在晶片上的方法就不再可行。

　　業(yè)界輔助電源管理積體電路（Companion Power Management Integrated Circuits， PMIC）是一顆高度可程式化的晶片（圖2），能夠支援單核心或是多核心應(yīng)用處理器所要求的電壓調(diào)整（Voltage Scaling）及功率輸送排序（Power Delivery Sequencing）功能，同樣的，在電話中的子系統(tǒng)，例如網(wǎng)路與連接性堆疊--3G、4G LTE、無線網(wǎng)路連接、藍(lán)牙（Bluetooth）以及近距離無線通訊（NFC）、顯示螢?zāi)弧⒏弋嬎叵鄼C(jī)，以及更多的次系統(tǒng)皆為如此。

　　圖2 電源管理正從應(yīng)用處理器中獨(dú)立出來成為一顆單獨(dú)的PMIC。

　　為何要擁有和行動裝置上的所有通訊、多媒體及周邊處理電路高度整合在一起的輔助PMIC，其中有許多好理由。這顆PMIC必須能夠負(fù)荷高達(dá)叁十組不同的供應(yīng)電源，提供給應(yīng)用處理器與基頻處理器的各個部分，并正確組合電壓與電流。假如消費(fèi)者的電源管理嵌在晶片上，由應(yīng)用處理器來處理這些任務(wù)時，則需要有一個高電流能力的電源供應(yīng)，而這僅能透過匯整許多接腳來達(dá)成。系統(tǒng)單晶片（SoC）的設(shè)計(jì)工程師可以使用晶片外的專用輔助PMIC，來提供個別低電壓、低電流電源軌，如此可避免晶片上電源管理設(shè)計(jì)方式額外產(chǎn)生晶粒及成本效益。

　　功率管理需求多樣化

　　智慧型手機(jī)在全世界廣為採用，市場也呈現(xiàn)多樣化面貌。為提供消費(fèi)者更多機(jī)種選擇，供應(yīng)商逐漸從高階市場擴(kuò)展至入門市場，但他們面臨極大的壓力，必須每隔 6？9個月就推出新機(jī)種，以因應(yīng)消費(fèi)者對于「最新及最佳功能」的需求與同業(yè)競爭，此時智慧型手機(jī)平臺設(shè)計(jì)方法就變得愈來愈重要。而新的平臺策略可以讓他們管理這些流程并降低成本。

　　業(yè)界也觀察到一波智慧型手機(jī)供應(yīng)商與SoC業(yè)者攜手合作布局市場的趨勢。這些SoC業(yè)者能夠提供塬始設(shè)備製造商（OEM）完整的參考平臺架構(gòu)，藉此協(xié)助加速產(chǎn)品上市時程及降低開發(fā)風(fēng)險(xiǎn)。當(dāng)然，對于OEM很重要的一點(diǎn)，在于是否有能力量身訂製平臺，針對市場需求開發(fā)差異化產(chǎn)品。

　　業(yè)界推出一顆可高度配置的PMIC，能讓供應(yīng)商在設(shè)計(jì)智慧型手機(jī)的平臺，以及在整個產(chǎn)品的生命週期中針對不同市場需求推出多款機(jī)種與設(shè)計(jì)時，能夠更加具有彈性。在研發(fā)流程中，當(dāng)額外的功能被增添至智慧型手機(jī)平臺上時，它能在電路板設(shè)計(jì)中支援后期變更。這也有助于降低PMIC庫存，并滿足消費(fèi)性電子市場對于數(shù)量彈性的需求。對于新手機(jī)供應(yīng)商而言，這種與SoC供應(yīng)商合作而享有的量身訂製特性，可形成巨大的優(yōu)勢。

　　PMIC協(xié)調(diào)多核心裝置流程

　　現(xiàn)今絕大多數(shù)的智慧型手機(jī)採用單核及雙核的系統(tǒng)單晶片，高階產(chǎn)品則有少許的四核心機(jī)種，平板電腦市場大多亦是如此。不過，較大的功率需求（被動式冷卻裝置需4瓦（W），具有風(fēng)扇的系統(tǒng)則需求7？8瓦，相比之下，智慧型手機(jī)則僅需1瓦左右）意味著處理器將朝向更高核心數(shù)發(fā)展。

　　有些人對于多核心行動運(yùn)算裝置的需求產(chǎn)生質(zhì)疑。這的確是實(shí)情，今日市場上銷售的個人電腦大多有著雙核心中央處理器（CPU），因?yàn)榇蠖鄶?shù)軟體應(yīng)用程式僅有著單一執(zhí)行緒而不是多重執(zhí)行緒，因此無法在多核心中運(yùn)作，供行動裝置所用的軟體甚至更不適合于多執(zhí)行緒。

　　儘管如此，來自于多核心裝置的功率優(yōu)勢卻相當(dāng)顯著。多核心裝置將簡單的任務(wù)指派給一顆核心，同時將更復(fù)雜的任務(wù)、需要較多功率的任務(wù)導(dǎo)向其他的核心。每一個四核心或是八核心的應(yīng)用處理器必須以特定的順序從休眠狀態(tài)中啟動以及關(guān)機(jī)。PMIC扮演著如同系統(tǒng)傳導(dǎo)者的角色，告知每一個基頻或是應(yīng)用處理器裝置中的個別電路方塊，何時須被喚醒以及何時必須進(jìn)入休眠狀態(tài)以節(jié)省能量。大多數(shù)的工作負(fù)載依然是單一執(zhí)行緒，并且需要在高頻下運(yùn)作，所以系統(tǒng)單晶片必須能夠有效率的提供總處理能力及單核心效能。

　　安謀國際（ARM）標(biāo)示為big.LITTLE的異構(gòu)核心，將一個小型但高效的核心與較大且較復(fù)雜的核心搭配在一起，并且可以在兩者之間切換。行動裝置必須要透過高效的電源管理解決方案降低切換所造成的功率損耗。簡而言之，若每一個電路方塊都要同時處在高效能模式，則將無法具備足夠的功率或散熱能力。當(dāng)執(zhí)行一款高度真實(shí)感及具互動性的游戲時，顯示螢?zāi)慌c圖形處理器（GPU）將會使用大部分的功率；這時CPU必須降低頻率與電壓，以便于提供最佳整體效能。假如這時也出現(xiàn)明顯的無線數(shù)據(jù)流量時，一切將變得更為復(fù)雜。最終的結(jié)果就是，必須要有一顆先進(jìn)的PMIC來處理這些流程的切換。

　　LTE與功率效能挑戰(zhàn)

　　LTE智慧型手機(jī)也帶來功率效能上的挑戰(zhàn)。現(xiàn)今的數(shù)位模組技術(shù)可以將更多的資料位元壓縮至每一個射頻（RF）頻道，其結(jié)果是造成更為復(fù)雜的波形，同時有著較高的波峰因素（Crest Factor），波峰因素是指波峰相對于平均功率比值（Peak-to -average-power-ratio， PAPR）。

　　LTE訊號有著非常高的波峰因素（一般而言是7.5？8dB PAPR），導(dǎo)致發(fā)射器必須具有較高的峰值功率需求。傳統(tǒng)的固定電壓功率放大器（PA）在處于發(fā)射波形的波峰時，且處于壓縮狀態(tài)下時，具有極佳的能源效率。假如設(shè)計(jì)工程師傾向于使用可以逐漸增加的較大型供應(yīng)電壓功率放大器時，許多的能量將被浪費(fèi)掉，同時在下次電池充電之前，LTE裝置的可利用時間可能會降低到1個小時之內(nèi)。

　　為將功率效能最佳化，必須使用兩顆輔助PMIC管理智慧型手機(jī)上較為復(fù)雜的電壓與電流需求。封包追蹤（Envelope Tracking）也是一項(xiàng)新興且有潛力的電源供應(yīng)技術(shù)，可用來改善LTE行動電話的無線頻率功率放大器（Radio Frequency Power Amplifier）的能源效率。它以動態(tài)的供應(yīng)電壓取代無線頻率功率放大器供應(yīng)固定的直流電壓，如此一來可以更密切的追蹤振幅，或是發(fā)射無線頻率訊號的封包。

　　封包追蹤技術(shù)的目標(biāo)，在于改善功率放大器承載較高波峰平均功率比訊號的效率。要在有限的頻譜資源內(nèi)提供高資料處理能力，必須使用有著較高波峰平均功耗比的線性模組。很不幸的是，傳統(tǒng)電壓源固定的功率放大器，在這些情況下運(yùn)轉(zhuǎn)時效率都較低。在封包追蹤的功率放大器中，可藉由改變功率放大器供應(yīng)電壓，與無線頻率訊號的封包同步，進(jìn)而改善其效率。