隨著入門(mén)與高級(jí)智能手機(jī)問(wèn)市，消費(fèi)者的選擇更為多樣化，再加上平板電腦尺寸減少與售價(jià)降低，更刺激全球市場(chǎng)銷(xiāo)售記錄迭創(chuàng)新高，2013年無(wú)疑將成為移動(dòng)計(jì)算市場(chǎng)上具有里程碑意義的一年。同時(shí)，消費(fèi)者希望能夠?yàn)g覽更多的媒體內(nèi)容，且電池續(xù)航時(shí)間更長(zhǎng)久，故電源管理正迅速成為這個(gè)時(shí)代的焦點(diǎn)議題。

智能手機(jī)與平板電腦創(chuàng)紀(jì)錄的一年

越來(lái)越多的預(yù)測(cè)說(shuō)明，2013年智能手機(jī)的全球出貨量將首度超越傳統(tǒng)手機(jī)。IDC(InternationalDataCorporation)市場(chǎng)研究機(jī)構(gòu)預(yù)測(cè)智能手機(jī)的出貨量將達(dá)9.186億只，占全球移動(dòng)電話(huà)市場(chǎng)的50.1%。無(wú)論是入門(mén)或高級(jí)智能手機(jī)，全球的售價(jià)均不斷的下降，也讓我們擁有更多樣化的選擇，而且隨著4GLTE網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化的導(dǎo)入，使這些“萬(wàn)能的”設(shè)備對(duì)消費(fèi)者而言更具吸引力。中國(guó)在去年取代美國(guó)成為全球智能手機(jī)出貨量最高的國(guó)家。此外，在巴西及印度人口眾多的國(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)，帶動(dòng)了相關(guān)需求蓬勃發(fā)展。

平板電腦的前景也同樣受到看好。2013年平板電腦在美國(guó)的出貨量有可能首度超越筆記型計(jì)算機(jī)的一年。消費(fèi)者對(duì)于這類(lèi)型的設(shè)備需求永無(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)了關(guān)于平板電腦在2013年至2016年期間的出貨量預(yù)測(cè)，顯示全球平板電腦的銷(xiāo)售量在2013年可以達(dá)到1.909億臺(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)3.5億臺(tái)，同時(shí)更小型及更便宜的平板電腦也將快速成長(zhǎng)。在未來(lái)的幾年，隨著在全球范圍內(nèi)高級(jí)平板電腦與超級(jí)本的并存與融合趨勢(shì)日益明顯，人們將見(jiàn)證這些設(shè)備對(duì)日常生活所產(chǎn)生的共同影響。

便攜式設(shè)備的復(fù)雜程度日益增加，高效的電源管理便是極大的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)。根據(jù)JDPowers所進(jìn)行的2012年美國(guó)無(wú)線(xiàn)智能手機(jī)顧客滿(mǎn)意度研究(USWirelessSmartphoneCustomerSatisfactionStudy2012)調(diào)查報(bào)告指出，對(duì)新智能手機(jī)的消費(fèi)者而言，電池續(xù)航力不佳所造成的不滿(mǎn)意程度遠(yuǎn)超過(guò)任何其他單一功能。而且，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)商愿意在它們的電源管理策略上采取新的創(chuàng)新方式。

4G智能手機(jī)消耗大量的電池壽命來(lái)搜尋目前比3G信號(hào)更稀少的網(wǎng)絡(luò)信號(hào)，它們必須消耗更多的電量解碼在頻譜中被傳送的信號(hào)。此外，現(xiàn)在的消費(fèi)者會(huì)更廣泛地使用他們的移動(dòng)設(shè)備——包括聊天、傳送短信、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晰度的視頻及衛(wèi)星導(dǎo)航地圖、能夠與他們的孩子進(jìn)行雙向視頻電話(huà)、享受更具臨場(chǎng)感的游戲和音樂(lè)流媒體。同時(shí)，消費(fèi)者還需要更明亮、更大，且具有觸控功能、未來(lái)還得要有觸覺(jué)反應(yīng)功能的顯示屏幕。每一項(xiàng)特性都會(huì)大量消耗電力，這也創(chuàng)造了對(duì)高效電源管理技術(shù)的需求。

電源管理仍然是一項(xiàng)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)化之重要性越來(lái)越高時(shí)，且已成為一項(xiàng)技術(shù)性的挑戰(zhàn)之后，這種芯片嵌入式的方法就不再可行了。

Dialog的輔助電源管理IC(companionPowerManagementIntegratedCircuits:PMICs)是一顆高度可程序化的IC芯片，因此能夠支持單核或是多核應(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，在電話(huà)中的子系統(tǒng)，例如網(wǎng)絡(luò)與連接性堆棧(3G、4GLTE、無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)連接、藍(lán)牙以及近距離無(wú)線(xiàn)通訊)、顯示屏、高像素相機(jī)，以及更多的子系統(tǒng)皆為如此。輔助電源管理IC通過(guò)與板上的應(yīng)用處理器、網(wǎng)絡(luò)連接性堆棧及多媒體顯示與音效組件的高度整合，使功率效能優(yōu)化。

在移動(dòng)設(shè)備電路板上，用于與所有通訊、多媒體及處理模塊高度整合在一起的輔助PMIC有其充分的理由。這顆PMIC必須能夠負(fù)荷高達(dá)30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。假如你的電源管理是采用芯片嵌入式技術(shù)，由應(yīng)用處理器來(lái)處理這些任務(wù)時(shí)，則你需要有一個(gè)高電流能力的電源供應(yīng)，而這僅能透過(guò)匯集多引腳來(lái)達(dá)成。系統(tǒng)級(jí)芯片的設(shè)計(jì)工程師可以使用芯片外的專(zhuān)用輔助PMIC，來(lái)提供個(gè)別的低電壓、低電流電源軌，這樣可避免芯片上電源管理設(shè)計(jì)方式產(chǎn)生額外晶粒并提高成本效益。

Dialog長(zhǎng)久以來(lái)提供不同的電源管理設(shè)計(jì)給全球頂尖的移動(dòng)電話(huà)制造商及便攜式消費(fèi)性電子OEM廠商，因此專(zhuān)注于設(shè)計(jì)各方面的優(yōu)化，其中包括電氣、散熱及封裝的考慮，可讓便攜式設(shè)備的功率效能達(dá)到優(yōu)化。

功率管理需求的多樣性

智能手機(jī)在全世界廣為采用，它的市場(chǎng)也日趨多樣化。為了提供消費(fèi)者更多機(jī)種選擇，供應(yīng)商逐漸從高級(jí)市場(chǎng)擴(kuò)展至入門(mén)市場(chǎng)，此時(shí)智能手機(jī)的平臺(tái)設(shè)計(jì)方法就變得越來(lái)越重要了。他們面臨極大的壓力，必須每隔6到9個(gè)月就推出幾種新機(jī)器，應(yīng)消費(fèi)者對(duì)“最新及最佳功能”的需求與對(duì)手開(kāi)展競(jìng)爭(zhēng)，而新的平臺(tái)策略可以讓他們管理這些流程并降低成本。

我們也看到一波智能手機(jī)供應(yīng)商與SoC廠商攜手合作布局市場(chǎng)的趨勢(shì)。這些SoC廠商能夠?yàn)镺EM廠商提供完整的參考平臺(tái)架構(gòu)，藉此協(xié)助他們加速產(chǎn)品上市時(shí)間及降低開(kāi)發(fā)風(fēng)險(xiǎn)。當(dāng)然，對(duì)于OEM廠商很重要的一點(diǎn)，在于是否有能力量身訂制平臺(tái)，可針對(duì)市場(chǎng)需求開(kāi)發(fā)差異化的產(chǎn)品。

Dialog的PMIC是一顆高度可配置的IC芯片，它能讓供應(yīng)商在設(shè)計(jì)智能手機(jī)的平臺(tái)，以及在整個(gè)產(chǎn)品的“生命周期”中針對(duì)不同市場(chǎng)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能手機(jī)平臺(tái)上時(shí)，它能在電路設(shè)計(jì)中支持后期變更。這也有助于降低PMIC庫(kù)存，并滿(mǎn)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制的特性，可形成巨大的優(yōu)勢(shì)。

朝向多核設(shè)備的趨勢(shì)

現(xiàn)今絕大多數(shù)的智能手機(jī)采用單核及雙核的系統(tǒng)級(jí)芯片，高端產(chǎn)品則有少量四核設(shè)備。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)式冷卻設(shè)備需4瓦，具有風(fēng)扇的系統(tǒng)則需求7~8瓦，相比之下，智能手機(jī)則僅需1瓦左右)意味著處理器將朝向更高核數(shù)發(fā)展。

有些人對(duì)于多核移動(dòng)計(jì)算設(shè)備的需求產(chǎn)生質(zhì)疑。這的確是實(shí)情，今日市場(chǎng)上銷(xiāo)售的個(gè)人電腦大多有著雙核CPU，因?yàn)榇蠖鄶?shù)的軟件應(yīng)用程序僅有著單一線(xiàn)程而非多線(xiàn)程，因此無(wú)法在多核環(huán)境中運(yùn)作，而移動(dòng)設(shè)備所用的軟件則更不適合于多線(xiàn)程。

盡管如此，來(lái)自于多核設(shè)備的功率優(yōu)勢(shì)卻相當(dāng)顯著。多核設(shè)備將簡(jiǎn)單的任務(wù)指派給一顆核，同時(shí)將更復(fù)雜的任務(wù)、需要較多功率的任務(wù)導(dǎo)向其他核。每一個(gè)四核或是八核的應(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扮演著系統(tǒng)傳導(dǎo)者一般的角色，告知每一個(gè)基帶或是應(yīng)用處理器設(shè)備中的個(gè)別電路模塊，何時(shí)需被喚醒以及何時(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)載依然是單一線(xiàn)程，并且需要在高頻下運(yùn)作，所以系統(tǒng)級(jí)芯片必須能夠有效率地提供總處理能力及單核效能。

ARM標(biāo)示為“big.LITTLE”的異構(gòu)核，是將一個(gè)小型但高效的核與一個(gè)較大且較復(fù)雜的核搭配在一起，并且可以在兩者之間切換。功率再一次面臨挑戰(zhàn)，必須要透過(guò)高效的電源管理解決方案來(lái)降低切換所造成的功率損耗。簡(jiǎn)而言之，若每一個(gè)電路模塊都要同時(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)你在執(zhí)行一款高度真實(shí)感及具互動(dòng)性的游戲時(shí)，顯示屏幕與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，以便于提供最佳的整體效能。假如這時(shí)也出現(xiàn)明顯的無(wú)線(xiàn)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。

4GLTE與功率效能挑戰(zhàn)

4GLTE智能手機(jī)也帶來(lái)功率效能上的挑戰(zhàn)?，F(xiàn)今的數(shù)字模塊技術(shù)可以將更多的資料位壓縮至每一個(gè)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”(crestfactors)，波峰因素是指波峰相對(duì)于平均功率比值(PAPR)。

LTE信號(hào)有著非常高的波峰因素(一般而言是7.5到8-dBPAPR)，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(PAs)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設(shè)備的可利用時(shí)間可能會(huì)降低到一個(gè)小時(shí)之內(nèi)。

為了將功率效能優(yōu)化，必須使用兩顆輔助PMIC來(lái)管理智能手機(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(lái)改善4GLTE移動(dòng)電話(huà)的無(wú)線(xiàn)頻率功率放大器(RadioFrequencyPowerAmplifiers)的能源效率。它以動(dòng)態(tài)的供應(yīng)電壓取代無(wú)線(xiàn)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)射之無(wú)線(xiàn)頻率信號(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耗比(peak-toaverage-power-ratio)信號(hào)的效率。要在有限的頻譜資源內(nèi)提供高資料處理能力，必需使用有著較高波峰平均功耗比的線(xiàn)性模塊。很不幸的是，傳統(tǒng)的電壓源固定的功率放大器，在這些情況下運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，其效率都較低。在封包追蹤的功率放大器中，可藉由改變功率放大器的供應(yīng)電壓，來(lái)與無(wú)線(xiàn)頻率信號(hào)的封包同步，進(jìn)而改善其效率。功率放大器的基本輸出特性——功率、效率、增益、以及相位——倚賴(lài)兩項(xiàng)輸入控制、無(wú)線(xiàn)頻率輸入功率以及供應(yīng)電壓而定，而且可以用3D外觀來(lái)呈現(xiàn)。

節(jié)省電路板空間

OEM廠商也面臨節(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)還要維持設(shè)備的輕薄短小并降低成本。針對(duì)這些目標(biāo)，3D封裝或是芯片堆棧技術(shù)的使用能產(chǎn)生優(yōu)勢(shì)。一般而言，芯片堆棧是利用低密度接線(xiàn)或焊錫凸塊連接不同堆棧層。Dialog是首次在單一封裝中整合或堆棧完全可配置PMIC及低功耗AudioCODEC的公司之一，如此能大幅有助于客戶(hù)節(jié)省電路板空間及成本。這是在單芯片上整合超過(guò)40個(gè)不同高低電壓的電路及類(lèi)比功能。

節(jié)省空間還不夠，同時(shí)，Dialog的音頻編解碼芯片還能為消費(fèi)設(shè)備提供優(yōu)異的音頻效能。藉由在DSP(數(shù)字信號(hào)處理器)內(nèi)整合先進(jìn)回音消除軟件，Dialog的AudioCODEC(編解碼器)能過(guò)濾背景雜音并增加聲音清晰度，如此一來(lái)，即使是在嘈雜的環(huán)境中也能提供豐富、低頻及高清晰的頻率。

除了芯片堆棧技術(shù)外，未來(lái)我們將看見(jiàn)其他節(jié)省電路板空間新技術(shù)的現(xiàn)身。其中一種技術(shù)是3D整合，是透過(guò)直通硅晶穿孔(Through-SiliconVias,TSVs)連接不同的電路層，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)封裝高速存儲(chǔ)器及SoC，用來(lái)為繪圖功能提供更優(yōu)異的帶寬，而它現(xiàn)在絕對(duì)是未來(lái)值得被好好觀察的領(lǐng)域。

制造趨勢(shì)

我們也看見(jiàn)了設(shè)備尺寸日趨輕薄小巧，但卻裝入比以往更多的功能。更細(xì)小的器件尺寸可能會(huì)引發(fā)高漏電流的危險(xiǎn)性，這是短通道效應(yīng)以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)。

截至目前為止，制造方面有著重大的變化，其中也包括90年代晚期切換至銅互連工藝的時(shí)期，由于銅比鋁的導(dǎo)電性較為佳，因此可促成更小金屬器件的使用，且使用較少的電力就能通電。應(yīng)變硅(strainedsilicon)是另一大進(jìn)展，其中的硅原子被拉伸超出其正常的原子間距離。增加這些原子間的距離可以減少原子的作用力，降低其對(duì)于電子通過(guò)晶體管的干擾，如此便能達(dá)成更好的活動(dòng)性，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)更佳的芯片效能及較低的功耗。

我們也看到了例如高k/金屬閘等新堆棧材料的出現(xiàn)，以及FinFET(鰭式場(chǎng)效晶體管)此類(lèi)全耗盡晶體管(fullydepletedtransistors)?，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?chē)拈l門(mén)能提供優(yōu)秀的通路控制，如此一來(lái)，當(dāng)器件處于斷開(kāi)狀態(tài)時(shí)，能通過(guò)主體的漏電流就微乎其微。這讓低閾值電壓的使用成為可行的，如此便能實(shí)現(xiàn)最佳的切換速度及功率。

還有許多其他有潛力的技術(shù)藍(lán)圖。例如，Dialog與全球最大的晶圓代工廠——臺(tái)灣積體電路制造股份有限公司(TSMC，臺(tái)積電)共同合作最先進(jìn)的0.13微米bipolar-CMOS-DMOS(BCD)技術(shù)，用于在小型單芯片電源管理IC中整合先進(jìn)邏輯、類(lèi)比及高電壓器件，以支持下一代智能手機(jī)、平板電腦及超級(jí)本。

BCD工藝技術(shù)代表了驅(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)及工藝持續(xù)前進(jìn)的創(chuàng)新力量。此技術(shù)在同一片晶圓上結(jié)合了類(lèi)比Bipolar(B)器件、互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體(ComplementaryMetalOxideSemiconductors,CMOS)以及高壓電晶體說(shuō)擴(kuò)散金屬氧化物半導(dǎo)體(DoubleDiffusedMetalOxideSemiconductors,DMOS)。系統(tǒng)設(shè)計(jì)師樂(lè)于采用此技術(shù)，因?yàn)樗軠p少功率損失、電路板空間及成本。Dialog此類(lèi)的IC合作伙伴正積極推動(dòng)BCD，因?yàn)樵摷夹g(shù)有助于制造更好、更小及更創(chuàng)新的產(chǎn)品。同時(shí)，隨著現(xiàn)在的BCD技術(shù)是以200mm晶圓制造，晶圓廠得以讓它們幾乎折舊完畢的產(chǎn)線(xiàn)得以繼續(xù)貢獻(xiàn)生產(chǎn)力，如此能減少終端客戶(hù)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。

投資智慧未來(lái)

Dialog持續(xù)關(guān)注未來(lái)，試著去定義將持續(xù)改變產(chǎn)業(yè)的新興技術(shù)。例如，我們最近對(duì)源于麻省理工學(xué)院的ArcticSandTechnologies有限公司實(shí)施一項(xiàng)戰(zhàn)略性股權(quán)投資，持續(xù)將創(chuàng)新的電源轉(zhuǎn)換技術(shù)予以商業(yè)化，以運(yùn)用于不同市場(chǎng)，包括智能手機(jī)、平板電腦、超級(jí)本與數(shù)據(jù)中心等。

DC/DC電源轉(zhuǎn)換器是現(xiàn)今電源管理集成電路的基礎(chǔ)器件。ArcticSand專(zhuān)利的TIPS(TransformativeIntegratedPowerSolutions，轉(zhuǎn)換性集成電源解決方案)技術(shù)采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)電器件，除了提升效率之外，并且可以達(dá)到比競(jìng)爭(zhēng)技術(shù)更高的整體電源密度，為便攜式和數(shù)據(jù)中心應(yīng)用提供顯著的優(yōu)勢(shì)。