隨著入門(mén)與高階智慧型手機(jī)問(wèn)市,消費(fèi)者的選擇更為多元,再加上平板電腦尺寸變小且售價(jià)降低,更刺激全球市場(chǎng)銷售紀(jì)錄迭創(chuàng)新高;2013年無(wú)疑將是行動(dòng)運(yùn)算市場(chǎng)重要的里程碑。同時(shí),消費(fèi)者希望能夠在瀏覽更多的媒體內(nèi)容時(shí)維持更長(zhǎng)的電池續(xù)航力,故電源管理正迅速成為這個(gè)時(shí)代的焦點(diǎn)議題。
越來(lái)越多的預(yù)測(cè)說(shuō)明2013年智慧型手機(jī)的全球出貨量將首度超越傳統(tǒng)手機(jī)。市場(chǎng)研究機(jī)構(gòu)IDC預(yù)測(cè)智慧型手機(jī)的出貨量將達(dá)九億一千八百六十萬(wàn)支,占全球行動(dòng)電話市場(chǎng)50.1%。無(wú)論是入門(mén)或高階智慧型手機(jī),全球售價(jià)均不斷下降,也讓消費(fèi)者擁有更多元的選擇,而且隨著長(zhǎng)程演進(jìn)計(jì)畫(huà)(LTE)網(wǎng)路優(yōu)化的導(dǎo)入,使這些「萬(wàn)能的」裝置對(duì)消費(fèi)者而言更具吸引力。中國(guó)大陸在2012年取代美國(guó)成為全球智慧型手機(jī)出貨量最高的國(guó)家,此外,在巴西及印度這樣人口眾多的國(guó)家中,快速增長(zhǎng)的經(jīng)濟(jì)和不斷興起的中產(chǎn)階級(jí),亦帶動(dòng)相關(guān)需求的蓬勃發(fā)展。
平板電腦的前景也同樣受到看好。2013年可能是平板電腦在美國(guó)的出貨量首度超越筆記型電腦的1年。消費(fèi)者對(duì)于這類型裝置的需求永無(wú)止盡,而一般認(rèn)為這種情況還會(huì)在全世界長(zhǎng)期持續(xù)下去。IDC最近上調(diào)關(guān)于平板電腦在2013~2016年期間的出貨量預(yù)測(cè),顯示全球平板電腦的銷售量在2013年可以達(dá)到一億九千零九萬(wàn)臺(tái)。至2017年底,IDC預(yù)期平板電腦供應(yīng)商的出貨量將可超過(guò)叁億五千萬(wàn)臺(tái),同時(shí)更小型及更便宜的平板電腦也將快速成長(zhǎng)。
可攜式裝置的復(fù)雜程度日益增加,高成效的電源管理方案便是極大的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)(圖1)。根據(jù)JD Powers所進(jìn)行的2012年美國(guó)無(wú)線智慧型手機(jī)顧客滿意度研究調(diào)查報(bào)告指出,對(duì)新智慧型手機(jī)的消費(fèi)者而言,電池續(xù)航力不佳所造成的不滿意程度遠(yuǎn)超過(guò)任何其他單一功能。且這個(gè)問(wèn)題只會(huì)隨著時(shí)間拖延愈長(zhǎng)而愈嚴(yán)重,除非供應(yīng)商愿意在電源管理策略上採(cǎi)取創(chuàng)新方式。
圖1 新的行動(dòng)裝置功能需求逐漸提升電源管理性能的復(fù)雜度。
4G智慧型手機(jī)消耗大量的電池壽命來(lái)搜尋目前比3G訊號(hào)稀少的網(wǎng)路訊號(hào),它們必須消耗更多的電量,解碼在頻譜中被傳送的訊號(hào)。此外,消費(fèi)者會(huì)更廣泛地使用行動(dòng)裝置,包括聊天、傳送簡(jiǎn)訊、發(fā)送電子郵件及瀏覽網(wǎng)頁(yè)等,但是他們也希望能夠觀看更高解析度的視訊及衛(wèi)星導(dǎo)航地圖、能夠與小孩進(jìn)行雙向視訊電話、玩更具臨場(chǎng)感的游戲并串流音樂(lè)。同時(shí),消費(fèi)者還需要更明亮、更大,且具有更佳的觸控功能,未來(lái)還得要有觸覺(jué)反應(yīng)功能的顯示螢?zāi)弧C恳豁?xiàng)特性都會(huì)大量消耗電力,這也創(chuàng)造對(duì)高效能電源管理技術(shù)的需求。
電源管理仍是重大挑戰(zhàn)
過(guò)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(lái)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(wú)線網(wǎng)路連接、藍(lán)牙(Bluetooth)以及近距離無(wú)線通訊(NFC)、顯示螢?zāi)?、高?huà)素相機(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(lái)成為一顆單獨(dú)的PMIC。
為何要擁有和行動(dòng)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(gè)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(lái)處理這些任務(wù)時(shí),則需要有一個(gè)高電流能力的電源供應(yīng),而這僅能透過(guò)匯整許多接腳來(lái)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(lái)提供個(gè)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(cǎi)用,市場(chǎng)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(chǎng)擴(kuò)展至入門(mén)市場(chǎng),但他們面臨極大的壓力,必須每隔 6?9個(gè)月就推出新機(jī)種,以因應(yīng)消費(fèi)者對(duì)于「最新及最佳功能」的需求與同業(yè)競(jìng)爭(zhēng),此時(shí)智慧型手機(jī)平臺(tái)設(shè)計(jì)方法就變得愈來(lái)愈重要。而新的平臺(tái)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(chǎng)的趨勢(shì)。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(tái)架構(gòu),藉此協(xié)助加速產(chǎn)品上市時(shí)程及降低開(kāi)發(fā)風(fēng)險(xiǎn)。當(dāng)然,對(duì)于OEM很重要的一點(diǎn),在于是否有能力量身訂製平臺(tái),針對(duì)市場(chǎng)需求開(kāi)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(tái),以及在整個(gè)產(chǎn)品的生命週期中針對(duì)不同市場(chǎng)需求推出多款機(jī)種與設(shè)計(jì)時(shí),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(tái)上時(shí),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(kù)存,并滿足消費(fèi)性電子市場(chǎng)對(duì)于數(shù)量彈性的需求。對(duì)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(shì)。
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(cǎi)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(chǎng)大多亦是如此。不過(guò),較大的功率需求(被動(dòng)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(duì)于多核心行動(dòng)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(chǎng)上銷售的個(gè)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(wú)法在多核心中運(yùn)作,供行動(dòng)裝置所用的軟體甚至更不適合于多執(zhí)行緒。
儘管如此,來(lái)自于多核心裝置的功率優(yōu)勢(shì)卻相當(dāng)顯著。多核心裝置將簡(jiǎn)單的任務(wù)指派給一顆核心,同時(shí)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(gè)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(dòng)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(gè)基頻或是應(yīng)用處理器裝置中的個(gè)別電路方塊,何時(shí)須被喚醒以及何時(shí)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(guó)際(ARM)標(biāo)示為big.LITTLE的異構(gòu)核心,將一個(gè)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(dòng)裝置必須要透過(guò)高效的電源管理解決方案降低切換所造成的功率損耗。簡(jiǎn)而言之,若每一個(gè)電路方塊都要同時(shí)處在高效能模式,則將無(wú)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(dòng)性的游戲時(shí),顯示螢?zāi)慌c圖形處理器(GPU)將會(huì)使用大部分的功率;這時(shí)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(shí)也出現(xiàn)明顯的無(wú)線數(shù)據(jù)流量時(shí),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(lái)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(lái)功率效能上的挑戰(zhàn)?,F(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(gè)射頻(RF)頻道,其結(jié)果是造成更為復(fù)雜的波形,同時(shí)有著較高的波峰因素(Crest Factor),波峰因素是指波峰相對(duì)于平均功率比值(Peak-to -average-power-ratio, PAPR)。
LTE訊號(hào)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(shí),且處于壓縮狀態(tài)下時(shí),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(shí),許多的能量將被浪費(fèi)掉,同時(shí)在下次電池充電之前,LTE裝置的可利用時(shí)間可能會(huì)降低到1個(gè)小時(shí)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(lái)改善LTE行動(dòng)電話的無(wú)線頻率功率放大器(Radio Frequency Power Amplifier)的能源效率。它以動(dòng)態(tài)的供應(yīng)電壓取代無(wú)線頻率功率放大器供應(yīng)固定的直流電壓,如此一來(lái)可以更密切的追蹤振幅,或是發(fā)射無(wú)線頻率訊號(hào)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(hào)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(shí)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(wú)線頻率訊號(hào)的封包同步,進(jìn)而改善其效率。
節(jié)省電路板空間 PMIC整合音訊芯片
OEM也面臨節(jié)省電路板空間的壓力,他們必須釋放出更多的面積以容納新功能,同時(shí)還要維持裝置的輕薄短小并降低成本。針對(duì)這些目標(biāo),叁維(3D)封裝或是晶片堆疊技術(shù)的使用能產(chǎn)生優(yōu)勢(shì)。一般而言,晶片堆疊是利用低密度接線或銲錫凸塊連接不同堆疊層。業(yè)界在單一封裝中整合或堆疊完全可配置PMIC及低功耗音訊編解碼晶片(Audio CODEC),在單晶片上整合超過(guò)四十個(gè)不同高低電壓的電路及類比功能,大幅節(jié)省電路板空間及成本。
不只節(jié)省空間,業(yè)界音訊編解碼晶片還能為消費(fèi)裝置提供理想的音訊效能。藉由在數(shù)位訊號(hào)處理器(DSP)內(nèi)整合先進(jìn)回音消除軟體,音訊編解碼晶片能過(guò)濾背景雜音并增加聲音清晰度,如此一來(lái),即使是在吵雜的環(huán)境中也能提供豐富、低頻及高清晰的頻率。
除晶片堆疊技術(shù)外,未來(lái)業(yè)界將看見(jiàn)其他節(jié)省電路板空間新技術(shù)。其中一種技術(shù)是3D整合,是透過(guò)直通硅晶穿孔(Through-Silicon Via, TSV)連接不同電路層,TSV較為密集且能提供更強(qiáng)大的連接能力,可以跨越更多層并節(jié)省更多電力。3D整合一開(kāi)始是被用來(lái)封裝高速記憶體及SoC,用來(lái)為繪圖功能提供更優(yōu)異的頻寬,而它現(xiàn)在絕對(duì)是未來(lái)值得被好好觀察的領(lǐng)域。
輕薄特色恐引發(fā)高漏電流
行動(dòng)裝置尺寸愈趨輕薄短小,但卻裝入比以往更多功能。更細(xì)小的元件尺寸可能會(huì)引發(fā)高漏電流的危險(xiǎn)性,這是短通道效應(yīng)及不同的摻雜水平所致,而這最終會(huì)讓產(chǎn)業(yè)無(wú)法朝更小的尺寸邁進(jìn)。
此外,新堆疊材料的出現(xiàn)例如高介電常數(shù)金屬閘極(HKMG),以及鰭式場(chǎng)效電晶體(FinFET)此類完全空乏型電晶體(Fully Depleted Transistor)?,F(xiàn)在的FinFET是3D結(jié)構(gòu),在平面基板上升起,相較于同樣面積的平面閘,F(xiàn)inFET可以提供更大的容量。通道周圍的閘門(mén)能提供優(yōu)秀的通路控制,如此一來(lái),當(dāng)元件處于斷開(kāi)狀態(tài)時(shí),能通過(guò)主體的漏電流就微乎其微。這讓低臨界電壓值的使用可行,以實(shí)現(xiàn)最佳切換速度及功率。
還有許多其他有潛力的技術(shù)藍(lán)圖。例如,戴樂(lè)格(Dialog)與臺(tái)積電共同合作最先進(jìn)的0.13微米(μm)Bipolar-CMOS- DMOS(BCD)技術(shù),用于在小型單晶片電源管理晶片中整合先進(jìn)邏輯、類比及高電壓元件,以支援下世代的智慧型手機(jī)、平板電腦及Ultrabook。
BCD製程技術(shù)代表驅(qū)動(dòng)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)各領(lǐng)域,包括應(yīng)用端、設(shè)計(jì)及製程持續(xù)前進(jìn)的創(chuàng)新力量。此技術(shù)在同一片晶圓上結(jié)合類比Bipolar(B)元件、互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體(CMOS)以及雙重?cái)U(kuò)散金屬氧化物半導(dǎo)體(Double Diffused Metal Oxide Semiconductors, DMOS)。系統(tǒng)設(shè)計(jì)師採(cǎi)用此技術(shù),減少功率損失、電路板空間及成本。該技術(shù)有助于製造更好、更小及更創(chuàng)新的產(chǎn)品。同時(shí),由于現(xiàn)在的BCD技術(shù)是以6吋晶圓製造,晶圓廠能讓他們幾乎折舊完畢的產(chǎn)線得以繼續(xù)貢獻(xiàn)生產(chǎn)力,如此能減少終端客戶的成本并產(chǎn)生利潤(rùn),或是能擁有投資其他新興技術(shù)的更多空間。
直流對(duì)直流(DC-DC)電源轉(zhuǎn)換器是現(xiàn)今電源管理積體電路的基礎(chǔ)元件。業(yè)界專利的TIPS(Transformative Integrated Power Solutions)技術(shù)採(cǎi)用一種以交換電容技術(shù)為基礎(chǔ)的獨(dú)特轉(zhuǎn)換方法。該項(xiàng)技術(shù)允許使用較小的導(dǎo)電元件,除提升效率之外,并且可以達(dá)到比競(jìng)爭(zhēng)技術(shù)更高的整體電源密度,為可攜式和資料中心應(yīng)用提供顯著的優(yōu)勢(shì)。
電源管理決定品牌成敗
根據(jù)產(chǎn)業(yè)預(yù)測(cè),行動(dòng)運(yùn)算裝置需求正持續(xù)增加。行動(dòng)裝置正從個(gè)人資訊裝置進(jìn)化為行動(dòng)運(yùn)算平臺(tái),對(duì)日常需求扮演愈來(lái)愈重要的角色。與此同時(shí),電源效能正迅速成為這個(gè)時(shí)代的關(guān)鍵問(wèn)題。智慧型手機(jī)使用者若高度滿意手機(jī)電池壽命,相較于不滿意的使用者,前者再次購(gòu)買同品牌手機(jī)的可能性較高。在高度滿意手機(jī)電池壽命 (在10分量表中選擇10分)的4G智慧型手機(jī)擁有者中,有將近25%的人表示「一定」會(huì)再次購(gòu)買來(lái)自同一家製造商的手機(jī)。相較于此,在較不滿意手機(jī)電池壽命(在10分量表中選擇7-9分)的手機(jī)擁有者中,僅有13%表達(dá)相同的意愿。藉由在裝置中採(cǎi)用創(chuàng)新電源管理方法來(lái)克服挑戰(zhàn)的手機(jī)業(yè)者,能較其他行動(dòng)業(yè)者獲得更大的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)及市占率。
消費(fèi)者想要在生活中擁有更多元的裝置。例如,少數(shù)會(huì)為平板電腦消費(fèi)者購(gòu)買3G或4G資費(fèi)專案的消費(fèi)者,在家中或工作場(chǎng)合中則寧愿使用無(wú)線區(qū)域網(wǎng)路(Wi- Fi)接收使用媒體。無(wú)論如何,由此可以清楚知道消費(fèi)者想要的是無(wú)所限制的無(wú)線連網(wǎng)方式。這樣的要求為可攜式裝置的電池壽命帶來(lái)更大的壓力,業(yè)界必須針對(duì)叁網(wǎng)融合的智慧型手機(jī)、平板電腦及即將面市的全新復(fù)合式平板筆電,持續(xù)不懈地專注于電源管理的創(chuàng)新。
——(本文作者為戴樂(lè)格半導(dǎo)體有限公司亞太區(qū)總經(jīng)理)
馳騁電源設(shè)計(jì),還看電子發(fā)燒友網(wǎng)2013電源技術(shù)研討會(huì)!
綠色電源設(shè)計(jì)大潮鋪天蓋地席卷而來(lái),“降低損耗,提高效率”已成為業(yè)界亟待解決的重要課題。本次技術(shù)研討會(huì),我們關(guān)注到,在任何種類的電源設(shè)計(jì),都必須 有出色的電源防護(hù)才能更安全可靠的工作,電路保護(hù)對(duì)每個(gè)電源工程師而言都至關(guān)重要。在電源設(shè)計(jì)中,電磁輻射需要ESD來(lái)進(jìn)行防護(hù),不過(guò)在另一個(gè)領(lǐng)域,電磁 輻 射加以利用又成為一個(gè)全新市場(chǎng)的技術(shù)基礎(chǔ),那就是無(wú)線充電技術(shù);無(wú)線充電現(xiàn)在的挑戰(zhàn)是充電效率,而數(shù)字電源無(wú)疑是提升電源管理效率一個(gè)非常重要的手段,隨 著各種系統(tǒng)的能效要求越來(lái)越高,數(shù)字電源變得越來(lái)越普及。高壓交流輸電可以有效提升能源傳輸和使用的成本,對(duì)于高壓直流電是否也會(huì)如此?電源設(shè)計(jì)中,穩(wěn)定 可靠的電源測(cè)試保障是必不可少的一步,您是否掌握最可靠并行之有效的電源測(cè)試方法?
為順應(yīng)當(dāng)前電子產(chǎn)業(yè)發(fā)展趨勢(shì),助力工程師,為各種設(shè)備電力開(kāi)源節(jié)流。有鑒于此,電子發(fā)燒友網(wǎng)本著以“為各種設(shè)備電力開(kāi)源節(jié)流”為主題,力邀ADI、德州 儀器、英飛凌、美信、羅姆、IDT、富士通、凌力爾特、Dailog、Exar、泰克、艾德克斯等廠商參與演講與交流。
電子發(fā)燒友網(wǎng)將于2013年10月19日(周六)13:00在深圳福田區(qū)華強(qiáng)北華強(qiáng)集團(tuán)二號(hào)樓7樓舉辦2013電源技術(shù)研討會(huì)。
我們將會(huì)探討當(dāng)前電源技術(shù)熱門(mén)應(yīng)用領(lǐng)域(包括可穿戴電子設(shè)備、智能移動(dòng)設(shè)備、無(wú)線充電、移動(dòng)電源)的發(fā)展現(xiàn)狀與技術(shù)趨勢(shì),以及結(jié)合電源管理 (PMIC)應(yīng)用開(kāi)發(fā)在當(dāng)前最新技術(shù),最具市場(chǎng)價(jià)值和適銷對(duì)路的創(chuàng)新性產(chǎn)品。如果您想了解當(dāng)前電源技術(shù)最新動(dòng)態(tài)與設(shè)計(jì)策略,把握最新商機(jī),這期技術(shù)研討會(huì) 絕對(duì)不容錯(cuò)過(guò)!
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評(píng)論