创新PMIC加持,移动装置电池续航力大增

    智慧型手机功能不断推陈出新，连带使得电源管理设计挑战日益加剧，因此半导体业者开发出可高度配置的电源管理晶片(PMIC)，以降低新产品设计的变更幅度，同时利用三维(3D)封装技术提高异质功能整合度，进一步节省电路板空间及成本。

随着入门与高阶智慧型手机问市，消费者的选择更为多元，再加上平板电脑尺寸变小且售价降低，更刺激全球市场销售纪录迭创新高；2013年无疑将是行动运算市场重要的里程碑。同时，消费者希望能够在浏览更多的媒体内容时维持更长的电池续航力，故电源管理正迅速成为这个时代的焦点议题。

越来越多的预测说明2013年智慧型手机的全球出货量将首度超越传统手机。市场研究机构IDC预测智慧型手机的出货量将达九亿一千八百六十万支，占全球行动电话市场50.1%。无论是入门或高阶智慧型手机，全球售价均不断下降，也让消费者拥有更多元的选择，而且随着长程演进计划(LTE)网路优化的导入，使这些「万能的」装置对消费者而言更具吸引力。中国大陆在2012年取代美国成为全球智慧型手机出货量最高的国家，此外，在巴西及印度这样人口众多的国家中，快速增长的经济和不断兴起的中产阶级，亦带动相关需求的蓬勃发展。  

平板电脑的前景也同样受到看好。2013年可能是平板电脑在美国的出货量首度超越笔记型电脑的1年。消费者对于这类型装置的需求永无止尽，而一般认为这种情况还会在全世界长期持续下去。IDC最近上调关于平板电脑在2013~2016年期间的出货量预测，显示全球平板电脑的销售量在2013年可以达到一亿九千零九万台。至2017年底，IDC预期平板电脑供应商的出货量将可超过三亿五千万台，同时更小型及更便宜的平板电脑也将快速成长。  

可携式装置的复杂程度日益增加，高成效的电源管理方案便是极大的设计挑战(图1)。根据JD Powers所进行的2012年美国无线智慧型手机顾客满意度研究调查报告指出，对新智慧型手机的消费者而言，电池续航力不佳所造成的不满意程度远超过任何其他单一功能。且这个问题只会随着时间拖延愈长而愈严重，除非供应商愿意在电源管理策略上采取创新方式。  


图1    新的行动装置功能需求逐渐提升电源管理性能的复杂度。
4G智慧型手机消耗大量的电池寿命来搜寻目前比3G讯号稀少的网路讯号，它们必须消耗更多的电量，解码在频谱中被传送的讯号。此外，消费者会更广泛地使用行动装置，包括聊天、传送简讯、发送电子邮件及浏览网页等，但是他们也希望能够观看更高解析度的视讯及卫星导航地图、能够与小孩进行双向视讯电话、玩更具临场感的游戏并串流音乐。同时，消费者还需要更明亮、更大，且具有更佳的触控功能，未来还得要有触觉反应功能的显示萤幕。每一项特性都会大量消耗电力，这也创造对高效能电源管理技术的需求。  

电源管理仍是重大挑战

过去电源管理技术经常被整合在应用处理器之内。然而，随着电源效能优化重要性愈来愈高，且已成为一项技术挑战后，这种嵌在晶片上的方法就不再可行。  

业界辅助电源管理积体电路(Companion Power Management Integrated Circuits, PMIC)是一颗高度可程式化的晶片(图2)，能够支援单核心或是多核心应用处理器所要求的电压调整(Voltage Scaling)及功率输送排序(Power Delivery Sequencing)功能，同样的，在电话中的子系统，例如网路与连接性堆叠--3G、4G LTE、无线网路连接、蓝牙(Bluetooth)以及近距离无线通讯(NFC)、显示萤幕、高画素相机，以及更多的次系统皆为如此。  


图2    电源管理正从应用处理器中独立出来成为一颗单独的PMIC。
为何要拥有和行动装置上的所有通讯、多媒体及周边处理电路高度整合在一起的辅助PMIC，其中有许多好理由。这颗PMIC必须能够负荷高达三十组不同的供应电源，提供给应用处理器与基频处理器的各个部分，并正确组合电压与电流。假如消费者的电源管理嵌在晶片上，由应用处理器来处理这些任务时，则需要有一个高电流能力的电源供应，而这仅能透过汇整许多接脚来达成。系统单晶片(SoC)的设计工程师可以使用晶片外的专用辅助PMIC，来提供个别低电压、低电流电源轨，如此可避免晶片上电源管理设计方式额外产生晶粒及成本效益。  

功率管理需求多样化
智慧型手机在全世界广为采用，市场也呈现多样化面貌。为提供消费者更多机种选择，供应商逐渐从高阶市场扩展至入门市场，但他们面临极大的压力，必须每隔6?9个月就推出新机种，以因应消费者对于「最新及最佳功能」的需求与同业竞争，此时智慧型手机平台设计方法就变得愈来愈重要。而新的平台策略可以让他们管理这些流程并降低成本。 

业界也观察到一波智慧型手机供应商与SoC业者携手合作布局市场的趋势。这些SoC业者能够提供原始设备制造商(OEM)完整的参考平台架构，藉此协助加速产品上市时程及降低开发风险。当然，对于OEM很重要的一点，在于是否有能力量身订制平台，针对市场需求开发差异化产品。 

业界推出一颗可高度配置的PMIC，能让供应商在设计智慧型手机的平台，以及在整个产品的生命周期中针对不同市场需求推出多款机种与设计时，能够更加具有弹性。在研发流程中，当额外的功能被增添至智慧型手机平台上时，它能在电路板设计中支援后期变更。这也有助于降低PMIC库存，并满足消费性电子市场对于数量弹性的需求。对于新手机供应商而言，这种与SoC供应商合作而享有的量身订制特性，可形成巨大的优势。 

PMIC协调多核心装置流程

现今绝大多数的智慧型手机采用单核及双核的系统单晶片，高阶产品则有少许的四核心机种，平板电脑市场大多亦是如此。不过，较大的功率需求(被动式冷却装置需4瓦(W)，具有风扇的系统则需求7?8瓦，相比之下，智慧型手机则仅需1瓦左右)意味着处理器将朝向更高核心数发展。 

有些人对于多核心行动运算装置的需求产生质疑。这的确是实情，今日市场上销售的个人电脑大多有着双核心中央处理器(CPU)，因为大多数软体应用程式仅有着单一执行绪而不是多重执行绪，因此无法在多核心中运作，供行动装置所用的软体甚至更不适合于多执行绪。 

尽管如此，来自于多核心装置的功率优势却相当显著。多核心装置将简单的任务指派给一颗核心，同时将更复杂的任务、需要较多功率的任务导向其他的核心。每一个四核心或是八核心的应用处理器必须以特定的顺序从休眠状态中启动以及关机。PMIC扮演着如同系统传导者的角色，告知每一个基频或是应用处理器装置中的个别电路方块，何时须被唤醒以及何时必须进入休眠状态以节省能量。大多数的工作负载依然是单一执行绪，并且需要在高频下运作，所以系统单晶片必须能够有效率的提供总处理能力及单核心效能。 

安谋国际(ARM)标示为big.LITTLE的异构核心，将一个小型但高效的核心与较大且较复杂的核心搭配在一起，并且可以在两者之间切换。行动装置必须要透过高效的电源管理解决方案降低切换所造成的功率损耗。简而言之，若每一个电路方块都要同时处在高效能模式，则将无法具备足够的功率或散热能力。当执行一款高度真实感及具互动性的游戏时，显示萤幕与图形处理器(GPU)将会使用大部分的功率；这时CPU必须降低频率与电压，以便于提供最佳整体效能。假如这时也出现明显的无线数据流量时，一切将变得更为复杂。最终的结果就是，必须要有一颗先进的PMIC来处理这些流程的切换。 

LTE与功率效能挑战

LTE智慧型手机也带来功率效能上的挑战。现今的数位模组技术可以将更多的资料位元压缩至每一个射频(RF)频道，其结果是造成更为复杂的波形，同时有着较高的波峰因素(Crest Factor)，波峰因素是指波峰相对于平均功率比值(Peak-to -average-power-ratio, PAPR)。 

LTE讯号有着非常高的波峰因素(一般而言是7.5?8dB PAPR)，导致发射器必须具有较高的峰值功率需求。传统的固定电压功率放大器(PA)在处于发射波形的波峰时，且处于压缩状态下时，具有极佳的能源效率。假如设计工程师倾向于使用可以逐渐增加的较大型供应电压功率放大器时，许多的能量将被浪费掉，同时在下次电池充电之前，LTE装置的可利用时间可能会降低到1个小时之内。 

为将功率效能最佳化，必须使用两颗辅助PMIC管理智慧型手机上较为复杂的电压与电流需求。封包追踪(Envelope Tracking)也是一项新兴且有潜力的电源供应技术，可用来改善LTE行动电话的无线频率功率放大器(Radio Frequency Power Amplifier)的能源效率。它以动态的供应电压取代无线频率功率放大器供应固定的直流电压，如此一来可以更密切的追踪振幅，或是发射无线频率讯号的封包。 

封包追踪技术的目标，在于改善功率放大器承载较高波峰平均功率比讯号的效率。要在有限的频谱资源内提供高资料处理能力，必须使用有着较高波峰平均功耗比的线性模组。很不幸的是，传统电压源固定的功率放大器，在这些情况下运转时效率都较低。在封包追踪的功率放大器中，可藉由改变功率放大器供应电压，与无线频率讯号的封包同步，进而改善其效率。 

节省电路板空间　PMIC整合音讯晶片

OEM也面临节省电路板空间的压力，他们必须释放出更多的面积以容纳新功能，同时还要维持装置的轻薄短小并降低成本。针对这些目标，三维(3D)封装或是晶片堆叠技术的使用能产生优势。一般而言，晶片堆叠是利用低密度接线或焊锡凸块连接不同堆叠层。业界在单一封装中整合或堆叠完全可配置PMIC及低功耗音讯编解码晶片(Audio CODEC)，在单晶片上整合超过四十个不同高低电压的电路及类比功能，大幅节省电路板空间及成本。 

不只节省空间，业界音讯编解码晶片还能为消费装置提供理想的音讯效能。藉由在数位讯号处理器(DSP)内整合先进回音消除软体，音讯编解码晶片能过滤背景杂音并增加声音清晰度，如此一来，即使是在吵杂的环境中也能提供丰富、低频及高清晰的频率。 

除晶片堆叠技术外，未来业界将看见其他节省电路板空间新技术。其中一种技术是3D整合，是透过直通矽晶穿孔(Through-Silicon Via, TSV)连接不同电路层，TSV较为密集且能提供更强大的连接能力，可以跨越更多层并节省更多电力。3D整合一开始是被用来封装高速记忆体及SoC，用来为绘图功能提供更优异的频宽，而它现在绝对是未来值得被好好观察的领域。 

轻薄特色恐引发高漏电流

行动装置尺寸愈趋轻薄短小，但却装入比以往更多功能。更细小的元件尺寸可能会引发高漏电流的危险性，这是短通道效应及不同的掺杂水平所致，而这最终会让产业无法朝更小的尺寸迈进。 

此外，新堆叠材料的出现例如高介电常数金属闸极(HKMG)，以及鳍式场效电晶体(FinFET)此类完全空乏型电晶体(Fully Depleted Transistor)。现在的FinFET是3D结构，在平面基板上升起，相较于同样面积的平面闸，FinFET可以提供更大的容量。通道周围的闸门能提供优秀的通路控制，如此一来，当元件处于断开状态时，能通过主体的漏电流就微乎其微。这让低临界电压值的使用可行，以实现最佳切换速度及功率。 

还有许多其他有潜力的技术蓝图。例如，戴乐格(Dialog)与台积电共同合作最先进的0.13微米(μm)Bipolar-CMOS-DMOS(BCD)技术，用于在小型单晶片电源管理晶片中整合先进逻辑、类比及高电压元件，以支援下世代的智慧型手机、平板电脑及Ultrabook。 

BCD制程技术代表驱动半导体产业各领域，包括应用端、设计及制程持续前进的创新力量。此技术在同一片晶圆上结合类比Bipolar(B)元件、互补金属氧化物半导体(CMOS)以及双重扩散金属氧化物半导体(Double Diffused Metal Oxide Semiconductors, DMOS)。系统设计师采用此技术，减少功率损失、电路板空间及成本。该技术有助于制造更好、更小及更创新的产品。同时，由于现在的BCD技术是以6寸晶圆制造，晶圆厂能让他们几乎折旧完毕的产线得以继续贡献生产力，如此能减少终端客户的成本并产生利润，或是能拥有投资其他新兴技术的更多空间。 

直流对直流(DC-DC)电源转换器是现今电源管理积体电路的基础元件。业界专利的TIPS(Transformative Integrated Power Solutions)技术采用一种以交换电容技术为基础的独特转换方法。该项技术允许使用较小的导电元件，除提升效率之外，并且可以达到比竞争技术更高的整体电源密度，为可携式和资料中心应用提供显著的优势。 

电源管理决定品牌成败

根据产业预测，行动运算装置需求正持续增加。行动装置正从个人资讯装置进化为行动运算平台，对日常需求扮演愈来愈重要的角色。与此同时，电源效能正迅速成为这个时代的关键问题。智慧型手机使用者若高度满意手机电池寿命，相较于不满意的使用者，前者再次购买同品牌手机的可能性较高。在高度满意手机电池寿命(在10分量表中选择10分)的4G智慧型手机拥有者中，有将近25%的人表示「一定」会再次购买来自同一家制造商的手机。相较于此，在较不满意手机电池寿命(在10分量表中选择7-9分)的手机拥有者中，仅有13%表达相同的意愿。藉由在装置中采用创新电源管理方法来克服挑战的手机业者，能较其他行动业者获得更大的竞争优势及市占率。 

消费者想要在生活中拥有更多元的装置。例如，少数会为平板电脑消费者购买3G或4G资费专案的消费者，在家中或工作场合中则宁愿使用无线区域网路(Wi-Fi)接收使用媒体。无论如何，由此可以清楚知道消费者想要的是无所限制的无线连网方式。这样的要求为可携式装置的电池寿命带来更大的压力，业界必须针对三网融合的智慧型手机、平板电脑及即将面市的全新复合式平板笔电，持续不懈地专注于电源管理的创新。