工控摘要：智慧型手機(jī)功能不斷推陳出新，連帶使得電源管理設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)日益加劇，因此半導(dǎo)體業(yè)者開發(fā)出可高度配置的電源管理晶片（PMIC），以降低新產(chǎn)品設(shè)計(jì)的變更幅度，同時(shí)利用三維（3D）封裝技術(shù)提高異質(zhì)功能整合度，進(jìn)一步節(jié)省電路板空間及成本。
　　
　　隨著入門與高階智慧型手機(jī)問市，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，更刺激市場銷售紀(jì)錄迭創(chuàng)新高；2013年無疑將是行動(dòng)運(yùn)算市場重要的里程碑。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。
　　
　　越來越多的預(yù)測說明2013年智慧型手機(jī)的出貨量將首度超越傳統(tǒng)手機(jī)。市場研究機(jī)構(gòu)IDC預(yù)測智慧型手機(jī)的出貨量將達(dá)九億一千八百六十萬支，占行動(dòng)市場50.1%。無論是入門或高階智慧型手機(jī)，售價(jià)均不斷下降，也讓消費(fèi)者擁有更多元的選擇，而且隨著長程演進(jìn)計(jì)劃（LTE）網(wǎng)路優(yōu)化的導(dǎo)入，使這些「的」裝置對消費(fèi)者而言更具吸引力。中國大陸在2012年取代美國成為智慧型手機(jī)出貨量zui高的國家，此外，在巴西及印度這樣人口眾多的國家中，快速增長的經(jīng)濟(jì)和不斷興起的中產(chǎn)階級，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的出貨量首度超越筆記型電腦的1年。消費(fèi)者對于這類型裝置的需求永無止盡，而一般認(rèn)為這種情況還會(huì)在*長期持續(xù)下去。IDCzui近上調(diào)關(guān)于平板電腦在2013~2016年期間的出貨量預(yù)測，顯示平板電腦的銷售量在2013年可以達(dá)到一億九千零九萬臺。至2017年底，IDC預(yù)期平板電腦供應(yīng)商的出貨量將可超過三億五千萬臺，同時(shí)更小型及更便宜的平板電腦也將快速成長。
　　
　　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)JDPowers所進(jìn)行的2012年美國無線智慧型手機(jī)顧客滿意度研究調(diào)查報(bào)告指出，對新智慧型手機(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)*其他單一功能。且這個(gè)問題只會(huì)隨著時(shí)間拖延愈長而愈嚴(yán)重，除非供應(yīng)商愿意在電源管理策略上采取創(chuàng)新方式。
　　
　　4G智慧型手機(jī)消耗大量的電池壽命來搜尋目前比3G訊號的網(wǎng)路訊號，它們必須消耗更多的電量，解碼在頻譜中被傳送的訊號。此外，消費(fèi)者會(huì)更廣泛地使用行動(dòng)裝置，包括聊天、傳送簡訊、發(fā)送電子郵件及瀏覽網(wǎng)頁等，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、玩更具臨場感的游戲并串流音樂。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，未來還得要有觸覺反應(yīng)功能的顯示螢?zāi)?。每一?xiàng)特性都會(huì)大量消耗電力，這也創(chuàng)造對能電源管理技術(shù)的需求。
　　
　　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（CompanionPowerManagementIntegratedCircuits，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（VoltageScaling）及功率輸送排序（PowerDeliverySequencing）功能，同樣的，在中的子系統(tǒng)，例如網(wǎng)路與連接性堆疊--3G、4GLTE、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)?、高畫素相機(jī)，以及更多的次系統(tǒng)皆為如此。
　　
　　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)三十組不同的供應(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輔助PMIC，來提供個(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*廣為采用，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(gè)月就推出新機(jī)種，以因應(yīng)消費(fèi)者對于「及*功能」的需求與同業(yè)競爭，此時(shí)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)者能夠提供原始設(shè)備制造商（OEM）完整的參考平臺架構(gòu)，藉此協(xié)助加速產(chǎn)品上市時(shí)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制平臺，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(gè)產(chǎn)品的生命周期中針對不同市場需求推出多款機(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制特性，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)采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(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，今日市場上銷售的個(gè)人電腦大多有著雙核心*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(dòng)裝置所用的軟體甚至更不適合于多執(zhí)行緒。
　　
　　盡管如此，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(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（ARM）標(biāo)示為big.LITTLE的異構(gòu)核心，將一個(gè)小型但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(gè)電路方塊都要同時(shí)處在能模式，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(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*整體效能。假如這時(shí)也出現(xiàn)明顯的無線數(shù)據(jù)流量時(shí)，一切將變得更為復(fù)雜。zui終的結(jié)果就是，必須要有一顆*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)?，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（CrestFactor），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？8dBPAPR），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*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（EnvelopeTracking）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(dòng)的無線頻率功率放大器（RadioFrequencyPowerAmplifier）的能源效率。它以動(dòng)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(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，與無線頻率訊號的封包同步，進(jìn)而改善其效率。
　　
　　節(jié)省電路板空間PMIC整合音訊晶片
　　
　　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。針對這些目標(biāo)，三維（3D）封裝或是晶片堆疊技術(shù)的使用能產(chǎn)生優(yōu)勢。一般而言，晶片堆疊是利用低密度接線或焊錫凸塊連接不同堆疊層。業(yè)界在單一封裝中整合或堆疊*可配置PMIC及低功耗音訊編解碼晶片（AudioCODEC），在單晶片上整合超過四十個(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)位訊號處理器（DSP）內(nèi)整合*回音消除軟體，音訊編解碼晶片能過濾背景雜音并增加聲音清晰度，如此一來，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，未來業(yè)界將看見其他節(jié)省電路板空間新技術(shù)。其中一種技術(shù)是3D整合，是透過直通矽晶穿孔（Through-SiliconVia，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整合一開始是被用來封裝高速記憶體及SoC，用來為繪圖功能提供更優(yōu)異的頻寬，而它現(xiàn)在是未來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zui終會(huì)讓產(chǎn)業(yè)無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），以及鰭式場效電晶體（FinFET）此類*空乏型電晶體（FullyDepletedTransistor）?，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。通道周圍的閘門能提供的通路控制，如此一來，當(dāng)元件處于斷開狀態(tài)時(shí)，能通過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)*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，戴樂格（Dialog）與臺積電共同合作的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*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制程技術(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)及制程持續(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（DoubleDiffusedMetalOxideSemiconductors，DMOS）。系統(tǒng)設(shè)計(jì)師采用此技術(shù)，減少功率損失、電路板空間及成本。該技術(shù)有助于制造更好、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寸晶圓制造，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，或是能擁有投資其他新興技術(shù)的更多空間。
　　
　　直流對直流（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)界的TIPS（TransformativeIntegratedPowerSolutions）技術(shù)采用一種以交換電容技術(shù)為基礎(chǔ)的*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)到比競爭技術(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。
　　
　　電源管理決定品牌成敗
　　
　　根據(jù)產(chǎn)業(yè)預(yù)測，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，對日常需求扮演愈來愈重要的角色。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)再次購買來自同一家制造商的手機(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。藉由在裝置中采用創(chuàng)新電源管理方法來克服挑戰(zhàn)的手機(jī)業(yè)者，能較其他行動(dòng)業(yè)者獲得更大的競爭優(yōu)勢及*。
　　
　　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)者購買3G或4G資費(fèi)專案的消費(fèi)者，在家中或工作場合中則寧愿使用無線區(qū)域網(wǎng)路（Wi-Fi）接收使用媒體。無論如何，由此可以清楚知道消費(fèi)者想要的是無所限制的無線連網(wǎng)方式。這樣的要求為可攜式裝置的電池壽命帶來更大的壓力，業(yè)界必須針對三網(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。