行動裝置電源IC設計複雜度提高

在多媒體行動裝置結合無線通訊功能的應用趨勢下，電源IC設計的技術複雜度越來越高，不僅要兼顧多媒體可攜式裝置的低耗電要求，也必須特別注重低雜訊（High-Ripple Rejection）的通話品質。同時電源IC設計廠商在提升使用多媒體功能或通話時高負載（重載）階段的低功耗方案外，也要強化在待機狀態、查詢狀態、螢幕保護程式等低負載（輕載）階段的設計內容。

主要低功耗低雜訊設計趨勢

整體而言，可攜式產品的省能設計趨勢，在於提高晶片效率、提升電壓穩定度、加強系統整合這三大方向。細節來看，電源設計需兼顧低雜訊與低耗電、降低輸出電壓訊號被依暫停訊號關閉時，由調節器吸收的待機電流（Standby Current；Is）、降低輸入輸出電流差的靜態電流（Quiescent Current；Iq）、提高切換頻率效能（Efficiency）等設計需求。

低雜訊與電流差有關，如何降低雜訊的電源IC技術，是設計具備RF通訊功能多媒體行動裝置的關鍵。此外切換頻率越高，外部元件數可減少，便能有效利用可攜式產品有限的空間。再者可攜式裝置重載和輕載時間比往往是2：8甚至1：9，因此待機模式的省能設計，對整體電源功耗降低影響甚巨。同時可攜式產品內部元件整合度越來越高，單一模組內多功能的Power需求增加，封裝設計和降低相互干擾程度的整合架構，此時便非常重要。

《圖一 台灣電源IC市場規模趨勢圖》 資料來源：IC Insights/IBTS整理預估

台灣電源IC設計廠商特色

相較於國際大廠，台灣電源IC設計廠商在多媒體可攜式產品領域的時程較晚，不過近年來台灣本土廠商在直流電壓（DC-DC）與線性低壓差電壓調節器（LDO）領域經營有成。以下我們就以立錡科技、德信科技和茂達電子這三家台灣本土電源IC設計廠商為例，進一步介紹目前台灣電源IC設計廠商在多媒體可攜式產品主要的發展重點、技術特色和市場展望。

三大廠商在可攜式領域發展主軸

立錡科技（RICHTEK）技術行銷工程二部資深經理陳俊聰表示，立錡界定可攜式產品主要以單顆電池為核心，涵蓋筆記型電腦、具備RF功能的手機和數位相機這三大領域，均具備相適應的解決方案。德信科技（EUTECH）產品開發處副總經理孟達則表示，德信產品主要以可攜式和多媒體產品為主，包括手機、PDA、PMP等等。德信目前主要以台灣和中國市場為核心，產品是以音頻功率放大器Class AB和Class D為主，作為市場區隔的主要利器。茂達電子（ANPEC）總經理陳日昇表示，茂達的產品線包括電源轉換及電源管理IC、放大器及驅動IC及離散式功率元件三大類，在既有基礎上持續開發衛星定位導航、手機、通訊設備及各項消費性產品等應用。

立錡科技（RICHTEK）

提高PSRR靈敏度

立錡科技（RICHTEK）技術行銷工程二部資深經理陳俊聰清楚指出，多媒體可攜式裝置電源設計需注意射頻RF和電磁波干擾（EMI）、PSRR（Power Supply Ripple Radio）、電源效能、封裝和降低靜態電壓等重點。

陳俊聰資深經理指出，具備RF功能的手機電源IC設計，需根據系統廠商需求設計客製化且多樣化的組態，並不若數位相機一般的標準化設計。因此立錡可針對不同特性的RF波段進行特殊處理，例如電源諧波成分（Harmonic）盡量不要落在RF頻帶中，避免雜訊跑進頻帶裡面，以降低雜訊干擾而提升RF效能。

此外輕薄短小的手機整合設計架構，更要避免不同電源IC元件彼此間的電磁波干擾，例如手機多數會採用俗稱charge pump的電荷幫浦電容式電壓轉換設計，其所產生的EMI會比電感式電壓轉換設計要低。此外，RF手機裝置瞬間的Power較大，Vin端電源擾動較高，後端電流設計則需乾淨，這也是設計要點。

《圖二 立錡團隊參加2008年IEEEAPEC展會（IEEE Applied Power Electronic Conference and Exposition）一隅》 資料來源：立錡網站

高頻切換頻率技術趨勢

在切換頻率部分，為減少電源管理元件數，提高空間節省效能，立錡也會朝高頻技術發展，例如提高電感式切換頻率。當切換頻率高時，所需要的電感感值會變小，進一步減少電感所需整體空間元件，也是設計重點。立錡目前已推出DC?-DC高頻轉換方案，是為了讓外部電感值變小，滿足DC-DC低耗電時的降頻設計。

提高電源轉換效能

陳俊聰資深經理特別指出，多媒體可攜式裝置的電源轉換空間隨著技術提昇越來越精確，設計難度也越來越高。如何提高電源轉換的效能，這是電源IC設計廠商的核心技術競爭力之一。若系統處於重載情況下，一般電源轉換效能標準可達80～90％左右，而立錡的技術可達90％。不過就整體系統的節能效果來說，還是有很多成長的空間，提高晶片效率、提升電壓穩定度、加強系統整合，這些都需要不同環節的專業廠商齊力配合。

整合閃光照相電源設計

由於多媒體可攜式裝置越來越多內建照相及閃光功能，因此電源IC設計就需兼顧電容式和電感式電壓轉換設計，在升降壓模式設計上也較為複雜。內建閃光燈和照相功能的手機，顯示背光跟Camera電源需求逐漸相互整合，閃光燈功能也會整合在同一模組內。陳俊聰資深經理指出，可以預期的是，局部的手機電源IC整合模組將成為設計重點，整合LMU（Lighting Management Unit）模組會整合背光、Camera、閃光等功能，從整體PMU（Power Management Unit）中獨立出來。

輕載待機LDO省能設計

陳俊聰資深經理進一步表示，一般而言台灣廠商普遍較熟悉重載情況下的電源IC設計方案，至於在輕載情況的待機省能技術仍有成長努力的空間。多媒體可攜式裝置處於輕載階段，降頻的DC-DC才可有效提升輕載效能，降低輕載時轉換電源的損失。多媒體可攜式裝置電源IC設計也需注重輕載時降低Iq靜態電流，進一步降低待機電流，立錡在此部分也有所突破，在低功耗運作時能把不需要運作的電源區塊關掉。

而沒有交換頻率的LDO，輕載狀況下有些廠商則會使用ECO（Economical）概念，用一根腳來控制進入輕載模式，提升低電流效能，也讓Iq再降得更低。有些廠商則採用automatic作法，在輕載時候把一些不需要的區塊關掉。整體而言，在低電流情況下進一步降低Iq同時兼顧效能，也是電源IC設計的一大挑戰。

《圖三 立錡所推出的7通道DC-DC 轉換器產品》

封裝製程攸關低功耗設計

陳俊聰資深經理特別指出，主晶片製程微細化能大幅降低電流功耗，封裝微型化亦是不可避免的趨勢，封裝製程攸關電源IC低功耗設計。並且有別以往pure design的PMIC，多媒體可攜式產品電源IC的封裝尤其重要，目前大致上可分為晶片級封裝CSP（Chip-Scale Package）、日系的小型無引腳型封裝SON（Small Outline No-lead）以及台系的薄型雙排扁平無導架DFN（Dual Flat No-lead）封裝。可攜式產品電源IC設計要考慮減少die size，也要考慮到封裝的Thermo能力。因此電源IC類比技術的成長，與Foundry製程有很大的關係，相關設計與製程相互配合依存度非常高，專業的類比Foundry能有效支援design house形成強而有力的產業鏈，這也是台灣電源IC廠商所期盼的發展方向。

電源IC設計整體發展空間大

陳俊聰資深經理表示，台灣電源IC設計廠商在可攜式產品領域都有進一步發揮的空間，例如筆記型電腦CPU所需的Vcord電源，台灣廠商雖仍未有相關技術，不過在其他周邊電源IC部分立錡都已具備相適應的解決方案。手機領域由於Vcord所需電流較小，技術上較不複雜，反而手機的電源IC封裝設計越來越關鍵。整體來看輕薄微小腳位設計的封裝趨勢，連帶牽動中下游電源IC設計的規劃方向，這也是中長期核心技術競爭的優勢所在，投資門檻相對也高，因此台灣電源IC設計廠商需要進一步朝向整合協作的目標邁進。

德信科技（EUTECH）

以音頻放大器及電源管理IC設計為主的德信科技，已多樣性發展出多媒體可攜式裝置的低功耗解決方案，包括推出可防止行動電視手機視訊水紋波干擾的升級版Class D音頻設計方案；擴大1μA 靜態電流LDO解決方案在具備RF功能的手機和個人導航裝置（PND）上應用的可行性、並持續積極研發降低靜態電流和提高PSRR的技術。未來德信並將以SingleμA DC/DC設計為目標，持續以系統區隔（system partition）角度來客製化設計手機電源管理架構。

看好行動電視手機低功耗音頻應用

德信科技（EUTECH）產品開發處副總經理孟達表示，看好未來行動電視手機（Mobile TV Handset）發展趨勢，德信已推出升級版低功耗低雜訊Class D音頻放大器設計方案。因為只有一顆鋰電池作為電源的手機，如何有效運作行動電視音訊品質，對於整體行動電視視訊環境來說非常重要。

《圖四 德信科技產品開發處副總經理孟達》

孟達副總經理進一步表示，一般手機鈴聲功能運用Class AB音頻放大器即可。但在持續瀏覽電視並收聽音訊的情況下，Class AB功耗就過高。受靜態電流與輸出入電壓制約的Class AB一般效率只有50％左右。若以一顆鋰電池使用的行動電視手機來看，使用Class AB只能讓音訊持續10～15分鐘，但效率可達90％的Class D音頻放大器則能持續30多分鐘。不過因為Class D使用脈寬調制開關，會產生EMI電磁波干擾和雜訊，而行動電視手機又必需以低雜訊才能接收到RF訊號。如何減少Class D的電磁波干擾和雜訊，便成為音頻放大器設計時的技術重點。

升級版Class D音頻放大器

為進一步解決Class D音頻放大器會產生電磁波和雜訊的問題，德信在今年4～5月推出第二代Class D音頻放大器設計方案。孟達副總經理深入分析指出，德信新的低雜訊設計技術，例如在掃頻時避免某段RF頻帶、採用Soft switching技術可有效抑制電磁波干擾。這樣行動電視手機畫面就不會因為電磁波干擾而產生水紋波。

《圖五 德信所推出的class D音頻功率放大器EUP2011A》 資料來源：德信科技

周詳考慮PMIC系統區隔設計

另一方面，德信也有考慮過整合音頻放大器、電源管理、LDO等的PMIC方案。並不是把所有電源管理和音頻放大器功能整合進PMIC，就是最好的設計，因此在電源IC設計階段，如何站在系統區隔（system partition）角度，合理分配電源管理資源，一直是PMIC多樣化設計的重點。若以行動電視手機系統應用為例，行動電視很重要的應用是與同伴分享高品質音訊的內容，如何讓大家在較遠距離也能收聽到高品質的聲音，這時就大約需要3W×1ch或者2.5W×2ch音頻放大器。但是由於干擾和散熱問題，很難把電源管理和音頻放大器集合在一個PMIC裡。若是德信設計PMIC，電源管理和電池充電會整合在一起，而低雜訊LDO和音頻放大器便會與之分開，形成二大塊系統區隔設計架構。

新一代低雜訊LDO降低靜態電流方案

在低雜訊LDO領域，德信的LDO方案已普遍應用於GSM/GPRS到CDMA手機當中。手機廠商所要求的低雜訊LDO必需有很高的PSRR（65dB以上），目前德信的低雜訊LDO的PSRR可以做到70dB以上，而且靜態電流在30～50μA範圍內。另外德信最近推出的EUP7180 LDO，靜態電流只有1μA，PSRR可達到40dB。在手機設計上，若LDO的靜態電流只要1μA時，就不需要以關掉區塊的方式來降低待機功耗，這樣可避免手機待機Turn-on時間拉長，從而提高手機功能使用上的方便性。德信希望將EUP7180類似的1μA 靜態電流LDO運用在手機上，目前正在研發以降低雜訊、靜態電流和提高PSRR為設計內容的升級版。

《圖六 德信所推出的LDO低功耗設計產品EUP7180》 資料來源：德信科技

Single μA開闢電源設計方案

孟達副總經理強調，德信非常注重可攜式產品電源IC每一個電流節能細節，這才能適應當前電源IC設計潮流。像是歐盟規定未來可攜式產品待機功耗要小於1毫瓦，這對於多媒體可攜式系統廠商更是一大挑戰。例如手機待機輕載時間遠比使用重載時間長，如何有效提高輕載效率，實是從根本上降低手機功耗的關鍵。一般強調關機靜態電流要小於1μA，若把待機輕載電流降到1μA左右與關機模式不相上下，那麼系統廠商就很容易符合Green Power的要求。德信未來在多媒體可攜式裝置電源IC設計的發展策略，是盡可能把待機輕載電流降低到接近關機模式，有效協助系統廠商規劃Green Power的節能架構。孟達副總經理表示，目前現在市場最好的開關電源的靜態電流在30μA左右，德信會進一步研發Single μA開關電源管理IC，讓靜態電流小於10μA，進一步達到5～6μA，理想目標達到1μA，使其接近關機模式。

茂達電子（ANPEC）

多媒體可攜式省能設計要點

茂達電子目前整體電源IC產品設計重點以小封裝、低耗流、降低靜態電壓、提高切換頻率效能、低雜訊並可延長電池壽命為主。茂達在多媒體行動裝置產品的發展主軸以封裝小、高效能、低功耗、整合性佳、節能並且符合環保時代潮流等省能解決方案為核心。例如茂達電子也提出PDA Phone電源管理解決方案，提供電池升壓 IC 及各部件所需要的降壓LDO &高效率PWM IC，包括APL3201鋰電池線性充電器溫度調節設計、APW7101降壓整流器、APW7134同步降壓穩壓IC、APW7136/7白光LED/OLED驅動器等。

《圖七 茂達在手機電源IC設計的產品架構圖》 - BigPic:585x437 資料來源：茂達電子

白光LED和LDO解決方案

以消費性電子電源管理解決方案來說，主要以GPS、數位相框、手機、MP3、MP4、PMP為主。多媒體行動裝置耗能主要來自panel與白光LED，因此茂達產品設計主要以改善panel耗電及白光LED省電方式為主要發展方向，以提昇電壓穩定度、提高電源IC工作效率為目標。以MP3來說，茂達主要提供LDO解決方案，以低耗流、低雜訊為發展目標；至於在智慧型手機領域，茂達大多以2.4及2.8吋面板為主，主要以白光LED及LDO電源解決方案為主。

提高升降壓效率及降低雜訊

在技術上為改善升壓或降壓整體效率，茂達採取提高操作頻率，減少外部電感感值，減少工作本身耗能等方式。為進一步解決線路複雜、雜訊強、成本高的課題，茂達整合電源IC減少空間面積，降低成本支出。茂達也持續挑戰低雜訊與穩定電壓的電源IC設計目標。像是在DC-DC部分會以提高頻率到1MHz操作頻率、低輸入電壓、符合手持式離電池規格設計為主；在 LDO低雜訊設計重點則以防止在GPS及手機上RF射頻的感應度為主。

擴展Class D音頻放大器應用

茂達在電源管理的發展策略，目前?品線70％集中於電腦市場，隨著新?品到位，應用領域擴及面板和可攜式產品等應用。尤其茂達在音頻放大器領域已耕耘多年，除了推出Vista作業系統筆記型電腦專用的音頻放大產品外，並陸續推出APA2010、APA3002及APA3004等小尺寸、高效率D類音頻放大晶片。茂達電子目前新型D類音頻放大器IC產品線主要應用之一是可攜式產品的低功率2～3瓦D類音頻放大器在衛星定位導航及手機的應用。

《圖八 茂達發展可攜式裝置電源IC設計的時程示意圖》 - BigPic:585x431 資料來源：茂達電子

台灣電源IC產業新契機

茂達電子總經理陳日昇表示，未來電源IC產業將面臨的挑戰為：大電流/低輸出電壓應用、電源轉換效率提昇和電源管理功能、整合電路設計、產品散熱解決方案、新小型封裝或SiP、信賴性生產等，不過這也是電源IC廠商所擁有的機會。

陳日昇總經理進一步指出，近年來人才培養和產業發展技術已漸趨成熟，許多台灣電源IC設計廠商產品已能被國際大廠所接受，加上晶圓代工廠逐漸在電源類比IC製程的重視及長足的進展，台灣電源IC設計廠商在製程的掌握度上已漸有進展，從大打價格戰轉向追求高附加價值。台灣IC設計廠商如何避免進入價格廝殺的窘境，產品應用設計將朝向整合SiP或SOC方向發展，如何與主晶片供應商策略合作，改善製程、開發高壓製程來源、進一步整合行銷通路等等，皆是電源IC廠商所面臨的課題。

台灣廠商大步前進！

台灣電源IC設計廠商正努力累積擴展多媒體可攜式裝置電源設計實力，整體而言需注意射頻RF和電磁波干擾（EMI）、PSRR（Power Supply Ripple Radio）、電源效能、封裝和靜態電壓等課題，多採取小封裝、低耗流、降低靜態電壓、提高切換頻率效能、低雜訊並可延長電池壽命等設計方案為主。無論是在抑制Class D音頻放大器衍生電磁波和雜訊干擾、整合閃光照相電源設計、低雜訊LDO降低靜態電流、Single μA 開闢電源設計、提高升降壓效率、白光LED節能設計等具體產品上，都代表台灣電源IC設計廠商靈活整合技術、勇於接受研發挑戰、積極開創新商機領域的作為。在多媒體行動裝置低功耗設計領域，台灣廠商正在大步前進！