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标题: 移动设备发展推动，电源管理地位日重 [打印本页]

作者: 我是MT 时间: 2015-4-26 14:10 标题: 移动设备发展推动，电源管理地位日重

[导读] 功率管理需求的多样性智能手机在全世界广为采用，它的市场也日趋多样化。为了提供消费者更多机种选择，供应商逐渐从高级市场扩展至入门市场，此
关键词：电源管理智能手机

　　随着入门与高级智能手机问市，消费者的选择更为多样化，再加上平板电脑尺寸减少与售价降低，更刺激全球市场销售记录迭创新高，2013年无疑将成为移动计算市场上具有里程碑意义的一年。同时，消费者希望能够浏览更多的媒体内容，且电池续航时间更长久，故电源管理正迅速成为这个时代的焦点议题。想与知名电源半导体厂商近距离沟通交流了解更多电源技术产品设计技巧？赶快报名参与10月19日电子发烧友网举办的2013电源技术研讨会，内容精彩，绝对不容错过！

　　智能手机与平板电脑创纪录的一年
　　越来越多的预测说明，2013年智能手机的全球出货量将首度超越传统手机。IDC（International Data Corporation）市场研究机构预测智能手机的出货量将达9.186亿只，占全球移动电话市场的50.1%。无论是入门或高级智能手机，全球的售价均不断的下降，也让我们拥有更多样化的选择，而且随着4G LTE网络优化的导入，使这些“万能的”设备对消费者而言更具吸引力。中国在去年取代美国成为全球智能手机出货量最高的国家。此外，在巴西及印度人口众多的国家中，快速增长的经济和不断兴起的中产阶级，带动了相关需求蓬勃发展。

　　平板电脑的前景也同样受到看好。2013年平板电脑在美国的出货量有可能首度超越笔记型计算机的一年。消费者对于这类型的设备需求永无止尽，而一般认为这种情况还会在全世界长期持续下去。IDC最近上调了关于平板电脑在2013年至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1.909亿台。至2017年底，IDC预期平板电脑供应商的出货量将可超过3.5亿台，同时更小型及更便宜的平板电脑也将快速成长。在未来的几年，随着在全球范围内高级平板电脑与超级本的并存与融合趋势日益明显，人们将见证这些设备对日常生活所产生的共同影响。
　　便携式设备的复杂程度日益增加，高效的电源管理便是极大的设计挑战。根据JD Powers所进行的2012年美国无线智能手机顾客满意度研究（US Wireless Smartphone Customer Satisfaction Study 2012）调查报告指出，对新智能手机的消费者而言，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。而且，这个问题只会随着时间拖延愈长而愈严重，除非供应商愿意在它们的电源管理策略上采取新的创新方式。
　　4G智能手机消耗大量的电池寿命来搜寻目前比3G信号更稀少的网络信号，它们必须消耗更多的电量解码在频谱中被传送的信号。此外，现在的消费者会更广泛地使用他们的移动设备——包括聊天、传送短信、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晰度的视频及卫星导航地图、能够与他们的孩子进行双向视频电话、享受更具临场感的游戏和音乐流媒体。同时，消费者还需要更明亮、更大，且具有触控功能、未来还得要有触觉反应功能的显示屏幕。每一项特性都会大量消耗电力，这也创造了对高效电源管理技术的需求。
　　电源管理仍然是一项重大挑战
　　过去电源管理技术经常被整合在应用处理器之内。然而，随着电源效能优化之重要性越来越高时，且已成为一项技术性的挑战之后，这种芯片嵌入式的方法就不再可行了。

　　Dialog的辅助电源管理IC（companion Power Management Integrated Circuits： PMICs）是一颗高度可程序化的IC芯片，因此能够支持单核或是多核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，例如网络与连接性堆栈（3G、4G LTE、无线网络连接、蓝牙以及近距离无线通讯）、显示屏、高像素相机，以及更多的子系统皆为如此。辅助电源管理IC通过与板上的应用处理器、网络连接性堆栈及多媒体显示与音效组件的高度整合，使功率效能优化。
　　在移动设备电路板上，用于与所有通讯、多媒体及处理模块高度整合在一起的辅助PMIC有其充分的理由。这颗PMIC必须能够负荷高达30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。假如你的电源管理是采用芯片嵌入式技术，由应用处理器来处理这些任务时，则你需要有一个高电流能力的电源供应，而这仅能透过汇集多引脚来达成。系统级芯片的设计工程师可以使用芯片外的专用辅助PMIC，来提供个别的低电压、低电流电源轨，这样可避免芯片上电源管理设计方式产生额外晶粒并提高成本效益。
　　Dialog长久以来提供不同的电源管理设计给全球顶尖的移动电话制造商及便携式消费性电子OEM厂商，因此专注于设计各方面的优化，其中包括电气、散热及封装的考虑，可让便携式设备的功率效能达到优化。

　　功率管理需求的多样性
　　智能手机在全世界广为采用，它的市场也日趋多样化。为了提供消费者更多机种选择，供应商逐渐从高级市场扩展至入门市场，此时智能手机的平台设计方法就变得越来越重要了。他们面临极大的压力，必须每隔6到9个月就推出几种新机器，应消费者对“最新及最佳功能”的需求与对手开展竞争，而新的平台策略可以让他们管理这些流程并降低成本。

　　我们也看到一波智能手机供应商与SoC厂商携手合作布局市场的趋势。这些SoC厂商能够为OEM厂商提供完整的参考平台架构，藉此协助他们加速产品上市时间及降低开发风险。当然，对于OEM厂商很重要的一点，在于是否有能力量身订制平台，可针对市场需求开发差异化的产品。
　　Dialog的PMIC是一颗高度可配置的IC芯片，它能让供应商在设计智能手机的平台，以及在整个产品的“生命周期”中针对不同市场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能手机平台上时，它能在电路设计中支持后期变更。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。
　　现今绝大多数的智能手机采用单核及双核的系统级芯片，高端产品则有少量四核设备。平板电脑市场大多亦是如此，不过，较大的功率需求（被动式冷却设备需4瓦，具有风扇的系统则需求7~8瓦，相比之下，智能手机则仅需1瓦左右）意味着处理器将朝向更高核数发展。
　　有些人对于多核移动计算设备的需求产生质疑。这的确是实情，今日市场上销售的个人电脑大多有着双核CPU，因为大多数的软件应用程序仅有着单一线程而非多线程，因此无法在多核环境中运作，而移动设备所用的软件则更不适合于多线程。
　　尽管如此，来自于多核设备的功率优势却相当显着。多核设备将简单的任务指派给一颗核，同时将更复杂的任务、需要较多功率的任务导向其他核。每一个四核或是八核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扮演着系统传导者一般的角色，告知每一个基带或是应用处理器设备中的个别电路模块，何时需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线程，并且需要在高频下运作，所以系统级芯片必须能够有效率地提供总处理能力及单核效能。
　　ARM标示为“big.LITTLE”的异构核，是将一个小型但高效的核与一个较大且较复杂的核搭配在一起，并且可以在两者之间切换。功率再一次面临挑战，必须要透过高效的电源管理解决方案来降低切换所造成的功率损耗。简而言之，若每一个电路模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。当你在执行一款高度真实感及具互动性的游戏时，显示屏幕与GPU将会使用大部分的功率；这时CPU必须降低频率与电压，以便于提供最佳的整体效能。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。
　　4G LTE与功率效能挑战
　　4G LTE智能手机也带来功率效能上的挑战。现今的数字模块技术可以将更多的资料位压缩至每一个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 factors），波峰因素是指波峰相对于平均功率比值（PAPR）。

　　LTE信号有着非常高的波峰因素（一般而言是7.5到8-dB 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（PAs）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设备的可利用时间可能会降低到一个小时之内。
　　为了将功率效能优化，必须使用两颗辅助PMIC来管理智能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4G LTE移动电话的无线频率功率放大器（Radio Frequency Power Amplifiers）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，或是发射之无线频率信号的“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耗比（peak- to average-power-ratio）信号的效率。要在有限的频谱资源内提供高资料处理能力，必需使用有着较高波峰平均功耗比的线性模块。很不幸的是，传统的电压源固定的功率放大器，在这些情况下运转时，其效率都较低。在封包追踪的功率放大器中，可藉由改变功率放大器的供应电压，来与无线频率信号的封包同步，进而改善其效率。功率放大器的基本输出特性——功率、效率、增益、以及相位——倚赖两项输入控制、无线频率输入功率以及供应电压而定，而且可以用 3D 外观来呈现。
　　节省电路板空间
　　OEM厂商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，同时还要维持设备的轻薄短小并降低成本。针对这些目标，3D封装或是芯片堆栈技术的使用能产生优势。一般而言，芯片堆栈是利用低密度接线或焊锡凸块连接不同堆栈层。Dialog是首次在单一封装中整合或堆栈完全可配置PMIC 及低功耗Audio CODEC的公司之一，如此能大幅有助于客户节省电路板空间及成本。这是在单芯片上整合超过40个不同高低电压的电路及类比功能。

　　节省空间还不够，同时，Dialog的音频编解码芯片还能为消费设备提供优异的音频效能。藉由在DSP（数字信号处理器）内整合先进回音消除软件，Dialog的Audio CODEC（编解码器）能过滤背景杂音并增加声音清晰度，如此一来，即使是在嘈杂的环境中也能提供丰富、低频及高清晰的频率。
　　除了芯片堆栈技术外，未来我们将看见其他节省电路板空间新技术的现身。其中一种技术是3D整合，是透过直通硅晶穿孔（Through-Silicon Vias， TSVs）连接不同的电路层，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存储器及SoC，用来为绘图功能提供更优异的带宽，而它现在绝对是未来值得被好好观察的领域。

　　制造趋势
　　我们也看见了设备尺寸日趋轻薄小巧，但却装入比以往更多的功能。更细小的器件尺寸可能会引发高漏电流的危险性，这是短通道效应以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。

　　截至目前为止，制造方面有着重大的变化，其中也包括90年代晚期切换至铜互连工艺的时期，由于铜比铝的导电性较为佳，因此可促成更小金属器件的使用，且使用较少的电力就能通电。应变硅（strained silicon）是另一大进展，其中的硅原子被拉伸超出其正常的原子间距离。增加这些原子间的距离可以减少原子的作用力，降低其对于电子通过晶体管的干扰，如此便能达成更好的活动性，进而实现更佳的芯片效能及较低的功耗。
　　我们也看到了例如高k/金属闸等新堆栈材料的出现，以及FinFET（鳍式场效晶体管）此类全耗尽晶体管（fully depleted transistors）。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，当器件处于断开状态时，能通过主体的漏电流就微乎其微。这让低阈值电压的使用成为可行的，如此便能实现最佳的切换速度及功率。
　　还有许多其他有潜力的技术蓝图。例如，Dialog与全球最大的晶圆代工厂——台湾积体电路制造股份有限公司（TSMC，台积电）共同合作最先进的0.13微米bipolar-CMOS-DMOS（BCD）技术，用于在小型单芯片电源管理IC中整合先进逻辑、类比及高电压器件，以支持下一代智能手机、平板电脑及超级本。
　　BCD工艺技术代表了驱动半导体产业各领域，包括应用端、设计及工艺持续前进的创新力量。此技术在同一片晶圆上结合了类比Bipolar（B）器件、互补金属氧化物半导体（Complementary Metal Oxide Semiconductors， CMOS）以及高压电晶体说扩散金属氧化物半导体（Double Diffused Metal Oxide Semiconductors， DMOS）。系统设计师乐于采用此技术，因为它能减少功率损失、电路板空间及成本。Dialog此类的IC合作伙伴正积极推动BCD，因为该技术有助于制造更好、更小及更创新的产品。同时，随着现在的BCD技术是以200mm晶圆制造，晶圆厂得以让它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。
　　投资智慧未来
　　Dialog持续关注未来，试着去定义将持续改变产业的新兴技术。例如，我们最近对源于麻省理工学院的Arctic Sand Technologies有限公司实施一项战略性股权投资，持续将创新的电源转换技术予以商业化，以运用于不同市场，包括智能手机、平板电脑、超级本与数据中心等。

　　DC/DC电源转换器是现今电源管理集成电路的基础器件。Arctic Sand专利的TIPS（Transformative Integrated Power Solutions，转换性集成电源解决方案）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器件，除了提升效率之外，并且可以达到比竞争技术更高的整体电源密度，为便携式和数据中心应用提供显着的优势。
　　结论
　　根据产业预测，移动计算设备需求正持续增加。移动设备正从个人信息设备进化为移动计算平台，对我们的日常需求愈来愈重要。
　　电源效能正迅速成为我们这个时代的决定性问题。智能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智能手机拥有者中，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。藉由在设备中采用创新电源管理方法来克服挑战的手机厂商，能比其它移动厂商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样化的设备。例如，少数会为他们的平板电脑消费者购买3G或4G资费项目的消费者，在家中或工作场合中则宁愿使用Wi-Fi去接收使用媒体。无论如何，由此我们可以清楚知道消费者想要的是无所限制的无线连网方式。这样的要求为便携式设备的电池寿命带来更大的压力，我们必须针对三网融合的智能手机、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。基于此原因，Dialog持续创新技术，让各种移动设备能利用更多电力来发挥便携、个人及联网等特性。

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