隨著入門與高級智能手機問市，消費者的選擇更為多樣化，再加上平板電腦尺寸減少與售價降低，更刺激全球市場銷售記錄迭創新高，2013年無疑將成為移動計算市場上具有里程碑意義的一年。同時，消費者希望能夠瀏覽更多的媒體內容，且電池續航時間更長久，故電源管理正迅速成為這個時代的焦點議題。想與知名電源半導體廠商近距離溝通交流了解更多電源技術產品設計技巧？趕快報名參與10月19日電子發燒友網舉辦的2013電源技術研討會，內容精彩，絕對不容錯過！

　　智能手機與平板電腦創紀錄的一年

　　越來越多的預測說明，2013年智能手機的全球出貨量將首度超越傳統手機。IDC（International Data Corporation）市場研究機構預測智能手機的出貨量將達9.186億只，占全球移動電話市場的50.1%。無論是入門或高級智能手機，全球的售價均不斷的下降，也讓我們擁有更多樣化的選擇，而且隨著4G LTE網絡優化的導入，使這些“萬能的”設備對消費者而言更具吸引力。中國在去年取代美國成為全球智能手機出貨量最高的國家。此外，在巴西及印度人口眾多的國家中，快速增長的經濟和不斷興起的中產階級，帶動了相關需求蓬勃發展。

　　平板電腦的前景也同樣受到看好。2013年平板電腦在美國的出貨量有可能首度超越筆記型計算機的一年。消費者對于這類型的設備需求永無止盡，而一般認為這種情況還會在全世界長期持續下去。IDC最近上調了關于平板電腦在2013年至2016年期間的出貨量預測，顯示全球平板電腦的銷售量在2013年可以達到1.909億臺。至2017年底，IDC預期平板電腦供應商的出貨量將可超過3.5億臺，同時更小型及更便宜的平板電腦也將快速成長。在未來的幾年，隨著在全球范圍內高級平板電腦與超級本的并存與融合趨勢日益明顯，人們將見證這些設備對日常生活所產生的共同影響。

　　便攜式設備的復雜程度日益增加，高效的電源管理便是極大的設計挑戰。根據JD Powers所進行的2012年美國無線智能手機顧客滿意度研究（US Wireless Smartphone Customer Satisfaction Study 2012）調查報告指出，對新智能手機的消費者而言，電池續航力不佳所造成的不滿意程度遠超過任何其他單一功能。而且，這個問題只會隨著時間拖延愈長而愈嚴重，除非供應商愿意在它們的電源管理策略上采取新的創新方式。

　　4G智能手機消耗大量的電池壽命來搜尋目前比3G信號更稀少的網絡信號，它們必須消耗更多的電量解碼在頻譜中被傳送的信號。此外，現在的消費者會更廣泛地使用他們的移動設備——包括聊天、傳送短信、發送電子郵件及瀏覽網頁等，但是他們也希望能夠觀看更高解晰度的視頻及衛星導航地圖、能夠與他們的孩子進行雙向視頻電話、享受更具臨場感的游戲和音樂流媒體。同時，消費者還需要更明亮、更大，且具有觸控功能、未來還得要有觸覺反應功能的顯示屏幕。每一項特性都會大量消耗電力，這也創造了對高效電源管理技術的需求。

　　電源管理仍然是一項重大挑戰

　　過去電源管理技術經常被整合在應用處理器之內。然而，隨著電源效能優化之重要性越來越高時，且已成為一項技術性的挑戰之后，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（companion Power Management Integrated Circuits： 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用處理器所要求的電壓調整（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，例如網絡與連接性堆棧（3G、4G LTE、無線網絡連接、藍牙以及近距離無線通訊）、顯示屏、高像素相機，以及更多的子系統皆為如此。輔助電源管理IC通過與板上的應用處理器、網絡連接性堆棧及多媒體顯示與音效組件的高度整合，使功率效能優化。

　　在移動設備電路板上，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必須能夠負荷高達30組不同的供應電源，提供給應用處理器與基頻處理器的各個部分，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，由應用處理器來處理這些任務時，則你需要有一個高電流能力的電源供應，而這僅能透過匯集多引腳來達成。系統級芯片的設計工程師可以使用芯片外的專用輔助PMIC，來提供個別的低電壓、低電流電源軌，這樣可避免芯片上電源管理設計方式產生額外晶粒并提高成本效益。

　　Dialog長久以來提供不同的電源管理設計給全球頂尖的移動電話制造商及便攜式消費性電子OEM廠商，因此專注于設計各方面的優化，其中包括電氣、散熱及封裝的考慮，可讓便攜式設備的功率效能達到優化。

　　功率管理需求的多樣性

　　智能手機在全世界廣為采用，它的市場也日趨多樣化。為了提供消費者更多機種選擇，供應商逐漸從高級市場擴展至入門市場，此時智能手機的平臺設計方法就變得越來越重要了。他們面臨極大的壓力，必須每隔6到9個月就推出幾種新機器，應消費者對“最新及最佳功能”的需求與對手開展競爭，而新的平臺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供應商與SoC廠商攜手合作布局市場的趨勢。這些SoC廠商能夠為OEM廠商提供完整的參考平臺架構，藉此協助他們加速產品上市時間及降低開發風險。當然，對于OEM廠商很重要的一點，在于是否有能力量身訂制平臺，可針對市場需求開發差異化的產品。

　　Dialog的PMIC是一顆高度可配置的IC芯片，它能讓供應商在設計智能手機的平臺，以及在整個產品的“生命周期”中針對不同市場推出多款機種與設計時，能夠更加具有彈性。在研發流程中，當額外的功能被增添至智能手機平臺上時，它能在電路設計中支持后期變更。這也有助于降低PMIC庫存，并滿足消費性電子市場對于數量彈性的需求。對于新手機供應商而言，這種與SoC供應商。

　　現今絕大多數的智能手機采用單核及雙核的系統級芯片，高端產品則有少量四核設備。平板電腦市場大多亦是如此，不過，較大的功率需求（被動式冷卻設備需4瓦，具有風扇的系統則需求7~8瓦，相比之下，智能手機則僅需1瓦左右）意味著處理器將朝向更高核數發展。

　　有些人對于多核移動計算設備的需求產生質疑。這的確是實情，今日市場上銷售的個人電腦大多有著雙核CPU，因為大多數的軟件應用程序僅有著單一線程而非多線程，因此無法在多核環境中運作，而移動設備所用的軟件則更不適合于多線程。

　　盡管如此，來自于多核設備的功率優勢卻相當顯著。多核設備將簡單的任務指派給一顆核，同時將更復雜的任務、需要較多功率的任務導向其他核。每一個四核或是八核的應用處理器必須以特定的順序，從休眠狀態中啟動以及關機。PMIC扮演著系統傳導者一般的角色，告知每一個基帶或是應用處理器設備中的個別電路模塊，何時需被喚醒以及何時必須進入休眠狀態以節省能量。大多數的工作負載依然是單一線程，并且需要在高頻下運作，所以系統級芯片必須能夠有效率地提供總處理能力及單核效能。

　　ARM標示為“big.LITTLE”的異構核，是將一個小型但高效的核與一個較大且較復雜的核搭配在一起，并且可以在兩者之間切換。功率再一次面臨挑戰，必須要透過高效的電源管理解決方案來降低切換所造成的功率損耗。簡而言之，若每一個電路模塊都要同時處在高效能模式，則將無法具備足夠的功率或散熱能力。當你在執行一款高度真實感及具互動性的游戲時，顯示屏幕與GPU將會使用大部分的功率；這時CPU必須降低頻率與電壓，以便于提供最佳的整體效能。假如這時也出現明顯的無線數據流量時，一切將變得更為復雜。最終的結果就是，必須要有一顆先進的PMIC來處理這些流程的切換。

　　4G LTE與功率效能挑戰

　　4G LTE智能手機也帶來功率效能上的挑戰。現今的數字模塊技術可以將更多的資料位壓縮至每一個RF頻道，其結果是造成更為復雜的波形，同時有著較高的“波峰因素”（crest factors），波峰因素是指波峰相對于平均功率比值（PAPR）。

　　LTE信號有著非常高的波峰因素（一般而言是7.5到8-dB PAPR），導致發射器必須具有較高的峰值功率需求。傳統的固定電壓功率放大器（PAs）在處于發射波形的波峰時，且處于壓縮狀態下時，具有極佳的能源效率。假如設計工程師傾向于使用可以逐漸增加的較大型供應電壓功率放大器時，許多的能量將被浪費掉；同時在下次電池充電之前，LTE設備的可利用時間可能會降低到一個小時之內。

　　為了將功率效能優化，必須使用兩顆輔助PMIC來管理智能手機上較為復雜的電壓與電流需求。封包追蹤（Envelope tracking）也是一項新興且有潛力的電源供應技術，可用來改善4G LTE移動電話的無線頻率功率放大器（Radio Frequency Power Amplifiers）的能源效率。它以動態的供應電壓取代無線頻率功率放大器供應固定的直流電壓，如此一來可以更密切的追蹤振幅，或是發射之無線頻率信號的“封包”。

　　封包追蹤技術的目標，在于改善功率放大器承載較高波峰平均功耗比（peak- to average-power-ratio）信號的效率。要在有限的頻譜資源內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性模塊。很不幸的是，傳統的電壓源固定的功率放大器，在這些情況下運轉時，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電壓，來與無線頻率信號的封包同步，進而改善其效率。功率放大器的基本輸出特性——功率、效率、增益、以及相位——倚賴兩項輸入控制、無線頻率輸入功率以及供應電壓而定，而且可以用 3D 外觀來呈現。

　　節省電路板空間

　　OEM廠商也面臨節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，同時還要維持設備的輕薄短小并降低成本。針對這些目標，3D封裝或是芯片堆棧技術的使用能產生優勢。一般而言，芯片堆棧是利用低密度接線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Audio CODEC的公司之一，如此能大幅有助于客戶節省電路板空間及成本。這是在單芯片上整合超過40個不同高低電壓的電路及類比功能。

　　節省空間還不夠，同時，Dialog的音頻編解碼芯片還能為消費設備提供優異的音頻效能。藉由在DSP（數字信號處理器）內整合先進回音消除軟件，Dialog的Audio CODEC（編解碼器）能過濾背景雜音并增加聲音清晰度，如此一來，即使是在嘈雜的環境中也能提供豐富、低頻及高清晰的頻率。

　　除了芯片堆棧技術外，未來我們將看見其他節省電路板空間新技術的現身。其中一種技術是3D整合，是透過直通硅晶穿孔（Through-Silicon Vias， TSVs）連接不同的電路層，TSV較為密集且能提供更強大的連接能力，可以跨越更多層并節省更多電力。3D整合一開始是被用來封裝高速存儲器及SoC，用來為繪圖功能提供更優異的帶寬，而它現在絕對是未來值得被好好觀察的領域。

　　制造趨勢

　　我們也看見了設備尺寸日趨輕薄小巧，但卻裝入比以往更多的功能。更細小的器件尺寸可能會引發高漏電流的危險性，這是短通道效應以及不同的摻雜水平所致，而這最終會讓產業無法朝更小的尺寸邁進。

　　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期，由于銅比鋁的導電性較為佳，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。應變硅（strained silicon）是另一大進展，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，降低其對于電子通過晶體管的干擾，如此便能達成更好的活動性，進而實現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，以及FinFET（鰭式場效晶體管）此類全耗盡晶體管（fully depleted transistors）。現在的FinFET是3D結構，在平面基板上升起，相較于同樣面積的平面閘，FinFET可以提供更大的容量。通道周圍的閘門能提供優秀的通路控制，如此一來，當器件處于斷開狀態時，能通過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，如此便能實現最佳的切換速度及功率。

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

　　BCD工藝技術代表了驅動半導體產業各領域，包括應用端、設計及工藝持續前進的創新力量。此技術在同一片晶圓上結合了類比Bipolar（B）器件、互補金屬氧化物半導體（Complementary Metal Oxide Semiconductors， CMOS）以及高壓電晶體說擴散金屬氧化物半導體（Double Diffused Metal Oxide Semiconductors， DMOS）。系統設計師樂于采用此技術，因為它能減少功率損失、電路板空間及成本。Dialog此類的IC合作伙伴正積極推動BCD，因為該技術有助于制造更好、更小及更創新的產品。同時，隨著現在的BCD技術是以200mm晶圓制造，晶圓廠得以讓它們幾乎折舊完畢的產線得以繼續貢獻生產力，如此能減少終端客戶的成本并產生利潤，或是能擁有投資其他新興技術的更多空間。

　　投資智慧未來

　　Dialog持續關注未來，試著去定義將持續改變產業的新興技術。例如，我們最近對源于麻省理工學院的Arctic Sand Technologies有限公司實施一項戰略性股權投資，持續將創新的電源轉換技術予以商業化，以運用于不同市場，包括智能手機、平板電腦、超級本與數據中心等。

　　DC/DC電源轉換器是現今電源管理集成電路的基礎器件。Arctic Sand專利的TIPS（Transformative Integrated Power Solutions，轉換性集成電源解決方案）技術采用一種以交換電容技術為基礎的獨特轉換方法。該項技術允許使用較小的導電器件，除了提升效率之外，并且可以達到比競爭技術更高的整體電源密度，為便攜式和數據中心應用提供顯著的優勢。

　　結論

　　根據產業預測，移動計算設備需求正持續增加。移動設備正從個人信息設備進化為移動計算平臺，對我們的日常需求愈來愈重要。

　　電源效能正迅速成為我們這個時代的決定性問題。智能手機使用者若高度滿意手機電池壽命，相較于不滿意的使用者，前者再次購買同品牌手機的可能性較高。在高度滿意手機電池壽命（在10分量表中選擇10分）的4G智能手機擁有者中，有將近25%的人表示“一定”會再次購買來自同一家制造商的手機。相較于此，在較不滿意手機電池壽命（在10分量表中選擇7-9分）的手機擁有者中，僅有13%表達相同的意愿。藉由在設備中采用創新電源管理方法來克服挑戰的手機廠商，能比其它移動廠商獲得更大的競爭優勢及市占率。

　　消費者想要在生活中擁有更多樣化的設備。例如，少數會為他們的平板電腦消費者購買3G或4G資費項目的消費者，在家中或工作場合中則寧愿使用Wi-Fi去接收使用媒體。無論如何，由此我們可以清楚知道消費者想要的是無所限制的無線連網方式。這樣的要求為便攜式設備的電池壽命帶來更大的壓力，我們必須針對三網融合的智能手機、平板電腦及即將面市的全新復合式平板筆電，持續不懈地專注于電源管理的創新。基于此原因，Dialog持續創新技術，讓各種移動設備能利用更多電力來發揮便攜、個人及聯網等特性。

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