隨著入門與高階智慧型手機問市，消費者的選擇更為多元，再加上平板電腦尺寸變小且售價降低，更刺激全球市場銷售紀錄迭創新高；2013年無疑將是行動運算市場重要的里程碑。同時，消費者希望能夠在瀏覽更多的媒體內容時維持更長的電池續航力，故電源管理正迅速成為這個時代的焦點議題。

　　越來越多的預測說明2013年智慧型手機的全球出貨量將首度超越傳統手機。市場研究機構IDC預測智慧型手機的出貨量將達九億一千八百六十萬支，占全球行動電話市場50.1%。無論是入門或高階智慧型手機，全球售價均不斷下降，也讓消費者擁有更多元的選擇，而且隨著長程演進計畫（LTE）網路優化的導入，使這些「萬能的」裝置對消費者而言更具吸引力。中國大陸在2012年取代美國成為全球智慧型手機出貨量最高的國家，此外，在巴西及印度這樣人口眾多的國家中，快速增長的經濟和不斷興起的中產階級，亦帶動相關需求的蓬勃發展。

　　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。消費者對于這類型裝置的需求永無止盡，而一般認為這種情況還會在全世界長期持續下去。IDC最近上調關于平板電腦在2013~2016年期間的出貨量預測，顯示全球平板電腦的銷售量在2013年可以達到一億九千零九萬臺。至2017年底，IDC預期平板電腦供應商的出貨量將可超過叁億五千萬臺，同時更小型及更便宜的平板電腦也將快速成長。

　　可攜式裝置的復雜程度日益增加，高成效的電源管理方案便是極大的設計挑戰（圖1）。根據JD Powers所進行的2012年美國無線智慧型手機顧客滿意度研究調查報告指出，對新智慧型手機的消費者而言，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。且這個問題只會隨著時間拖延愈長而愈嚴重，除非供應商愿意在電源管理策略上採取創新方式。

　　圖1 新的行動裝置功能需求逐漸提升電源管理性能的復雜度。

　　4G智慧型手機消耗大量的電池壽命來搜尋目前比3G訊號稀少的網路訊號，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，消費者會更廣泛地使用行動裝置，包括聊天、傳送簡訊、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析度的視訊及衛星導航地圖、能夠與小孩進行雙向視訊電話、玩更具臨場感的游戲并串流音樂。同時，消費者還需要更明亮、更大，且具有更佳的觸控功能，未來還得要有觸覺反應功能的顯示螢幕。每一項特性都會大量消耗電力，這也創造對高效能電源管理技術的需求。

　　電源管理仍是重大挑戰

　　過去電源管理技術經常被整合在應用處理器之內。然而，隨著電源效能優化重要性愈來愈高，且已成為一項技術挑戰后，這種嵌在晶片上的方法就不再可行。

　　業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，例如網路與連接性堆疊--3G、4G LTE、無線網路連接、藍牙（Bluetooth）以及近距離無線通訊（NFC）、顯示螢幕、高畫素相機，以及更多的次系統皆為如此。

　　圖2 電源管理正從應用處理器中獨立出來成為一顆單獨的PMIC。

　　為何要擁有和行動裝置上的所有通訊、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必須能夠負荷高達叁十組不同的供應電源，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。假如消費者的電源管理嵌在晶片上，由應用處理器來處理這些任務時，則需要有一個高電流能力的電源供應，而這僅能透過匯整許多接腳來達成。系統單晶片（SoC）的設計工程師可以使用晶片外的專用輔助PMIC，來提供個別低電壓、低電流電源軌，如此可避免晶片上電源管理設計方式額外產生晶粒及成本效益。

　　功率管理需求多樣化

　　智慧型手機在全世界廣為採用，市場也呈現多樣化面貌。為提供消費者更多機種選擇，供應商逐漸從高階市場擴展至入門市場，但他們面臨極大的壓力，必須每隔 6？9個月就推出新機種，以因應消費者對于「最新及最佳功能」的需求與同業競爭，此時智慧型手機平臺設計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。

　　業界也觀察到一波智慧型手機供應商與SoC業者攜手合作布局市場的趨勢。這些SoC業者能夠提供塬始設備製造商（OEM）完整的參考平臺架構，藉此協助加速產品上市時程及降低開發風險。當然，對于OEM很重要的一點，在于是否有能力量身訂製平臺，針對市場需求開發差異化產品。

　　業界推出一顆可高度配置的PMIC，能讓供應商在設計智慧型手機的平臺，以及在整個產品的生命週期中針對不同市場需求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慧型手機平臺上時，它能在電路板設計中支援后期變更。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供應商合作而享有的量身訂製特性，可形成巨大的優勢。

　　PMIC協調多核心裝置流程

　　現今絕大多數的智慧型手機採用單核及雙核的系統單晶片，高階產品則有少許的四核心機種，平板電腦市場大多亦是如此。不過，較大的功率需求（被動式冷卻裝置需4瓦（W），具有風扇的系統則需求7？8瓦，相比之下，智慧型手機則僅需1瓦左右）意味著處理器將朝向更高核心數發展。

　　有些人對于多核心行動運算裝置的需求產生質疑。這的確是實情，今日市場上銷售的個人電腦大多有著雙核心中央處理器（CPU），因為大多數軟體應用程式僅有著單一執行緒而不是多重執行緒，因此無法在多核心中運作，供行動裝置所用的軟體甚至更不適合于多執行緒。

　　儘管如此，來自于多核心裝置的功率優勢卻相當顯著。多核心裝置將簡單的任務指派給一顆核心，同時將更復雜的任務、需要較多功率的任務導向其他的核心。每一個四核心或是八核心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扮演著如同系統傳導者的角色，告知每一個基頻或是應用處理器裝置中的個別電路方塊，何時須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執行緒，并且需要在高頻下運作，所以系統單晶片必須能夠有效率的提供總處理能力及單核心效能。

　　安謀國際（ARM）標示為big.LITTLE的異構核心，將一個小型但高效的核心與較大且較復雜的核心搭配在一起，并且可以在兩者之間切換。行動裝置必須要透過高效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，若每一個電路方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。當執行一款高度真實感及具互動性的游戲時，顯示螢幕與圖形處理器（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。

　　LTE與功率效能挑戰

　　LTE智慧型手機也帶來功率效能上的挑戰。現今的數位模組技術可以將更多的資料位元壓縮至每一個射頻（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 Factor），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？8dB 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（PA）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裝置的可利用時間可能會降低到1個小時之內。

　　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LTE行動電話的無線頻率功率放大器（Radio Frequency Power Amplifier）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，或是發射無線頻率訊號的封包。

　　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率比訊號的效率。要在有限的頻譜資源內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，傳統電壓源固定的功率放大器，在這些情況下運轉時效率都較低。在封包追蹤的功率放大器中，可藉由改變功率放大器供應電壓，與無線頻率訊號的封包同步，進而改善其效率。

　　節省電路板空間　PMIC整合音訊芯片

　　OEM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，同時還要維持裝置的輕薄短小并降低成本。針對這些目標，叁維（3D）封裝或是晶片堆疊技術的使用能產生優勢。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四十個不同高低電壓的電路及類比功能，大幅節省電路板空間及成本。

　　不只節省空間，業界音訊編解碼晶片還能為消費裝置提供理想的音訊效能。藉由在數位訊號處理器（DSP）內整合先進回音消除軟體，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，即使是在吵雜的環境中也能提供豐富、低頻及高清晰的頻率。

　　除晶片堆疊技術外，未來業界將看見其他節省電路板空間新技術。其中一種技術是3D整合，是透過直通硅晶穿孔（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記憶體及SoC，用來為繪圖功能提供更優異的頻寬，而它現在絕對是未來值得被好好觀察的領域。

　　輕薄特色恐引發高漏電流

　　行動裝置尺寸愈趨輕薄短小，但卻裝入比以往更多功能。更細小的元件尺寸可能會引發高漏電流的危險性，這是短通道效應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。

　　此外，新堆疊材料的出現例如高介電常數金屬閘極（HKMG），以及鰭式場效電晶體（FinFET）此類完全空乏型電晶體（Fully Depleted Transistor）。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，當元件處于斷開狀態時，能通過主體的漏電流就微乎其微。這讓低臨界電壓值的使用可行，以實現最佳切換速度及功率。

　　還有許多其他有潛力的技術藍圖。例如，戴樂格（Dialog）與臺積電共同合作最先進的0.13微米（μm）Bipolar-CMOS- DMOS（BCD）技術，用于在小型單晶片電源管理晶片中整合先進邏輯、類比及高電壓元件，以支援下世代的智慧型手機、平板電腦及Ultrabook。

　　BCD製程技術代表驅動半導體產業各領域，包括應用端、設計及製程持續前進的創新力量。此技術在同一片晶圓上結合類比Bipolar（B）元件、互補金屬氧化物半導體（CMOS）以及雙重擴散金屬氧化物半導體（Double Diffused Metal Oxide Semiconductors， DMOS）。系統設計師採用此技術，減少功率損失、電路板空間及成本。該技術有助于製造更好、更小及更創新的產品。同時，由于現在的BCD技術是以6吋晶圓製造，晶圓廠能讓他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。

　　直流對直流（DC-DC）電源轉換器是現今電源管理積體電路的基礎元件。業界專利的TIPS（Transformative Integrated Power Solutions）技術採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元件，除提升效率之外，并且可以達到比競爭技術更高的整體電源密度，為可攜式和資料中心應用提供顯著的優勢。

　　電源管理決定品牌成敗

　　根據產業預測，行動運算裝置需求正持續增加。行動裝置正從個人資訊裝置進化為行動運算平臺，對日常需求扮演愈來愈重要的角色。與此同時，電源效能正迅速成為這個時代的關鍵問題。智慧型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智慧型手機擁有者中，有將近25%的人表示「一定」會再次購買來自同一家製造商的手機。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。藉由在裝置中採用創新電源管理方法來克服挑戰的手機業者，能較其他行動業者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元的裝置。例如，少數會為平板電腦消費者購買3G或4G資費專案的消費者，在家中或工作場合中則寧愿使用無線區域網路（Wi- Fi）接收使用媒體。無論如何，由此可以清楚知道消費者想要的是無所限制的無線連網方式。這樣的要求為可攜式裝置的電池壽命帶來更大的壓力，業界必須針對叁網融合的智慧型手機、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。

——（本文作者為戴樂格半導體有限公司亞太區總經理）

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