挑戰小體積與高效率 手機電源管理必須更精簡也更完整

2005-12-15
可攜式產品電源管理晶片的兩大設計重點即在於必須使效率更高,且體積更小,這也是當前在晶片設計上的最大挑戰。在電源管理晶片的整合式解決方案方面,最大難題是降低晶片內部干擾以及尺寸縮小...
可攜式產品電源管理晶片的兩大設計重點即在於必須使效率更高,且體積更小,這也是當前在晶片設計上的最大挑戰。在電源管理晶片的整合式解決方案方面,最大難題是降低晶片內部干擾以及尺寸縮小,晶片業者正面臨類比製程技術的嚴峻挑戰。  

過去的行動通訊,往往只有指手機部份;而以手機為主的行動通訊,其主要需求只有針對通訊(Communication)。而現在的行動通訊結合娛樂以及商務應用的需求,例如PDA與多媒體的應用;為了因應多功能的行動通訊產品,電源管理晶片與電池的效能都扮演著日益重要的角色。  

過去電源管理晶片的設計較為單純,其整體功率消耗也不相同;但隨著科技的進步,在同一支手機中,必須融入更多元化的功能,其功率消耗也會隨之增加,這將是未來電源管理晶片發展的明確趨勢。隨著功耗的增加,不論效率與設計的精簡度,或是成本上,都會面臨相當大的挑戰。未來的電源管理晶片會越來越聰明,價格也將成為主要考量因素之一;而電池使用的時間,電源管理的效率、以及如何製造更小尺寸的解決方案,都將是未來電源管理晶片的重要課題。  

至於電池市場的發展趨勢也是基於相同的考量。以電源管理的立場來說,相同大小的手機所具備的功能必須越來越多,這也代表電池的容量密度必須提升,才能讓手機尺寸維持輕薄精巧。因此當今電池市場最大的發展趨勢為提升其容量密度,包括單位體積的容量密度以及單位重量的容量密度;在短時間內,仍以鋰離子電池技術為基礎。舉例而言,在過去市場上,有較多的4.1V或4.2V的鋰離子電池;而現在則已進步到4.36V或4.4V的鋰離子電池。  

這也表示,當今的電池廠商都朝著更高容量的電池密度發展。另一方面,在未來鋰離子電池的充電速度上也將有顯著的提升。鋰離子電池由於材質因素與安全考量,而無法快速的充電;但未來都會針對這些困難有所突破與改變。  

走向更精簡及更完整解決方案  

基於上述的電源管理的發展趨勢,各家電源管理晶片大廠也正朝這些方向發展。隨著行動通訊結合更多功能之後,電源管理的複雜度也隨之增加;因此在電源管理晶片的設計方面必須考慮其應用,以設計適合不同系統的電源管理晶片。以德州儀器(TI)為例,未來的電源管理晶片將不只有電源,而會結合其他的功能方塊,達到尺寸更精簡、功能也更完整的解決方案,以提供使用者更多的方便。  

晶片業者致力於提供更精簡及更完整的解決方案時,決定性的重點在於是否擁有類比產品線上完整的核心技術,並藉著不同的產品核心來滿足客戶在設計上的需要。另外在電源管理晶片的整合式完整解決方案方面,其難度在於晶片內部干擾的降低以及尺寸的縮小。這對於晶片業者而言,必須具備相當的經驗與獨特的類比製程技術。  

行動通訊是電源管理的主要市場,而未來行動通訊的市場將呈現「大者恆大」的趨勢。隨著電源管理晶片的整合度越來越高,以及客製化產品的彈性越來越大,其週邊需求將隨著變少。這也代表只針對少數客戶的IC廠商會愈加辛苦;就長遠來看,這也將使行動通訊的電源管理市場的進入門檻愈來愈高。  

進行電源管理整合須兼顧設計彈性  

在電源管理晶片領域中,業者通常將單晶片稱為PMU(Power Management Unit),而非SoC (System on Chip),也就是將所有的電源方塊整合在一起;這與SoC的基本概念相同。PMU無疑將成為未來電源管理晶片的趨勢,尤其是在可攜式產品的電源管理方面更是如此。  

可攜式產品的PMU有兩大設計重點:效率高,體積小,這也將成為電源管理晶片設計上的最大挑戰。從IC部分來看,PMU的設計除了電源轉換,另外也要涵蓋系統管理的部分,若更進一步,則需整合其他非電源的部分;這對大部分廠商而言需要較長的學習曲線。一般電源管理在進行整合時,通常會衍生應用上失去彈性的問題,必須以其他方式解決;以TI為例,則是在許多產品整合I2C通訊介面,以及內建的暫存器(Register),可透過軟體的方式來管理電源晶片,使電源管理晶片在高整合度下,仍然保有相當大的設計彈性。  

低電壓考驗晶片製程技術  

低電壓亦是當前電源管理的一大挑戰。低電壓的電源管理可分為兩種:低輸入電壓與低輸出電壓。在低輸入電壓方面,需要特殊的電源管理IC,而這類電源管理IC的最大特點就是需要從低電壓啟動。在電池輸入的低電壓電源管理晶片設計上,首先要考慮的就是高效率,再來就是必須承受低電壓啟動,並將電池能量做有效率的轉換。這方面最大的挑戰仍為製程技術,若製程技術不足以支援,將增加成本。在效率充分達到最佳化,以及能量有效轉換後,才能得到更好的解決方案。  

在低電源輸出端方面,目前的CPU核心為了要達到更高的時脈,必須將其頻率拉高;此為另一種的低電壓電源管理。在此種CPU核心的應用上,必須搭配CPU的使用;例如當CPU在不同頻率運作時,需要不同的電壓供應,並配合CPU的規格。舉例來說,DVS(Dynamic Voltage Scaling)將需要此類技術,如串列通訊的介面(I2C)或在電源管理IC上搭配數位通訊的管理介面。簡言之,在低電壓環境中,輸入電壓必須著重其管理效能,而在輸出電壓時保持其精準度,這些都需要有強大且完整的製程技術支援。  

(本文作者為TI高效能類比產品資深市場行銷工程師)  

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