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行動電源管理晶片 大玩「獨立」運動
系統愈複雜 電源管理愈重要

【作者: 姚嘉洋】   2014年02月10日 星期一

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隨著智慧型手機與平板電腦的快速成長,從半導體元件、OEM與品牌業者們等,無不用最新的硬體規格來作為吸引市場目光的手段之一。其中最為常見的,就是應用處理器的核心數量或是效能。而身為消費者的你,你一定會時常看到所謂的「雙核」「四核」,甚至是近期聯發科所大力推廣的「八核」,在在都成為市場所討論的焦點。的確,處理器核心數量的增加,對於系統整體的表現有一定程度的幫助,


但相對的,整體系統功耗也是消費者十分在意的問題,簡單說,手機使用時間的長短,或許就成了你我購買手機的重要因素之一,誰都不願意見到,一支全新的智慧型手機到手,使用時間卻只有半天而已。所以,電源管理晶片(PMIC)的表現也就攸關整體系統功耗的高低。


獨立原因之一:核心數量增加與製程演進

從系統層面來看,過去應用處理器整合了電源管理功能,以高度整合方式,以因應整體系統的運作與電源管理的工作,同時因為少了一顆電源管理晶片的關係,成本上也能作到較好的控管。不過,隨著半導體製程的演進、處理器核心的增加,再輔以繪圖處理器核心也扮演了應用處理器相當重要角色,這使得配合應用處理器的與周邊的系統設計變得十分複雜與困難。


再者,由於ARM所大力推廣的「big-Little」架構,大小核有著各自的效能定位,所以電源管理晶片必須提供對對應的電流與電壓組合。也因此,若不將電源管理獨立為單一晶片來進行系統設計,恐怕就無法兼顧整體系統設計的其他層面,像是功耗的降低與性能提升,也都是系統整合業者們要注意的地方。


進一步來看應用處理器的發展歷程,製程演進造就了應用處理器的驅動電壓愈來愈低,電源管理晶片本身就需要是供對應的電壓給應用處理器,一般我們所常見的鋰電池所提供的電壓,大多也都是4.5V至5V左右,光以此點來看,若沒有事先進行降壓動作,系統設計恐怕就難以完成。


另外一個要將電源管理晶片獨立出來的原因在於,應用處理器的多核概念加上繪圖處理器核心的重要性日益增加,倘若是進行手機遊戲操作,就會動用較多的繪圖處理器的資源,此時基本的處理器就會退居二線處理其他基本的工作,在這種狀態之下,為了能動態調整各個不同核心的運作,所以要必須透過各自獨立的穩壓器來提供對應的電流。簡言之,電源管理晶片的多相輸出,不光是對應記憶體或是其他子系統,光是應用處理器本身,每個核心的動態控制與電源輸出也是需要思考的課題。


從這一點來看,在市場上,不論是高通、NVIDIA、ARM的big-Little、三星與聯發科的八核心,其電源管理都各有不同的問題需要因應。一言以蔽之,隨著智慧型手機或是平板電腦的系統設計愈趨複雜,獨立的電源管理晶片必須提供正確的電壓與電流組合,成了最重要也是最基本的功課。



圖一 : 隨著製程演進與核心數量的增加,使得電源管理晶片在電源供應上變得更加複雜,所以讓它獨立運作,未嘗不是一件壞事。(Source:高通)(FOR美編:上層的橘色區塊與文字刪掉)
圖一 : 隨著製程演進與核心數量的增加,使得電源管理晶片在電源供應上變得更加複雜,所以讓它獨立運作,未嘗不是一件壞事。(Source:高通)(FOR美編:上層的橘色區塊與文字刪掉)

獨立原因之二:LTE已成主流

然而,除了處理器核心與繪圖處理器之外,為了能使消費者能有更為流暢的使用體驗,LTE(Long Term Evolution;長程演進技術)成了3GPP陣營新一代不可或缺的技術。當進入3G時代後,使用者利用手機看線上串流影音或是社群網站的頻率已然大增。為了能讓連線能更為順暢,LTE的導入,會讓相關的子系統設計也會與傳統的WCDMA架構有些不同差異。舉例來說,從功率放大器乃至於基頻處理器的設計,會因為傳輸速度的提升再加上現有LTE基地台數量是相對少數的情況下,手機必須不斷掃描LTE訊號,這兩個原因亦會造成電力會造成相當的浪費,如何能即時動態調節該子系統的電力消耗,將是產業界必須思索的問題。所以說,電源管理晶片所扮演的角色在此時將更形重要。



圖二 : LTE由於具備更為高速的無線傳輸能力,再加上訊號又要不時地掃描,就會耗費不少電池電力,如何有效動態控制LTE系統,電源管理晶片也有重要的角色需要扮演。(Source:www.tclproducts.co.uk)
圖二 : LTE由於具備更為高速的無線傳輸能力,再加上訊號又要不時地掃描,就會耗費不少電池電力,如何有效動態控制LTE系統,電源管理晶片也有重要的角色需要扮演。(Source:www.tclproducts.co.uk)

鋰電池技術進展有限 另一股整合風潮再起?

不過,隨著智慧型手機的輕薄化與大型化已成近期市場主流後,系統設計的難度仍然居高不下。曾經就有業界人士指出,由於鋰電池的技術進展相對緩慢,所以就必須靠整體的系統設計來補足這方面的不足。所以為了能提高產品的續航力,電池容量的增加成了相當普遍的作法。但這種作法所衍生的另一問題就在於,系統電路板的面積就會被壓縮的相當嚴重,如同前面所談到,由於系統的複雜化,電源管理晶片必須獨立出來進行整體系統的電力管理,同樣的,像是音訊或是感測也是採用同樣的作法來進行,以讓系統表現可以更加出色。


所以整體系統的設計,就會出現:各部子系統獨立設計,卻也必須面臨電路板空間有限的問題。


為了因應這種情況,就有業者嘗試將不同子系統的晶片加以整合,以爭取有限的電路板面積。像是Dialog某一款產品就將音訊處理與電源管理兩者合併,一次滿足兩種系統的設計需求,像是音訊處理必備的過濾背景雜音來提升聲音的清晰度,就是該款產品的特色之一。



圖三 : 雖然說應用處理器整合電源管理晶片的機率較低,但為了要節省電路板面積,將部份的類比晶片加以整合,也是一條值得思考的路徑。(Source:Dialog)
圖三 : 雖然說應用處理器整合電源管理晶片的機率較低,但為了要節省電路板面積,將部份的類比晶片加以整合,也是一條值得思考的路徑。(Source:Dialog)

整合與獨立 端賴設計需求

凌力爾特電源產品部產品行銷總監Tony Armstrong直言,系統整合工程師的確可以選擇各種高整合度的電源管理晶片。這些元件通常支援大多數應用所需的功能,包括切換式DC / DC控制器、單晶開關和整合不相關的混合訊號功能,如觸控螢幕控制器、音頻編解碼器等眾多LDO的組合。但最後的結果可能是變得笨重,並需要在韌體層面上投入大量資源。這些產品往往整合意味高於效能,通常將熱集中在一個產品內單一區域中,而使熱管理變得複雜。諷刺的是,這些高度整合的解決方案也許還需要更多的電路板空間,因為他們採用大型且高接腳數的封裝。最後,他們迫使電路板佈局必須變得更為複雜,需要容納所有相關的的外部元件,像是MOSFET、電感、二極體和各種被動元件及相關的佈線。


但Tony Armstrong也同意,使用獨立零組件的系統,每一個零組件都針對單一功能而最佳化。這種方法具備最高的設計、佈局和熱管理彈性,同時還可達到每個功能的最適效能水平。只是這種作法的主要缺點是相對較為昂貴,而且還需要大量的電路板空間,才能滿足日益成長的功能需求。


另外一種整合的作法是,將電源管理與充電晶片加以整合,這種作法的好處在於能源效率可以有效提升。系統也能更有效率了解電池的充電狀況,以讓整體能源能達到更有完美的分配。只不過,系統設計永遠不會有十全十美的作法存在,整合充電晶片後的首要問題,就是電力來源的複雜性,儘管目前的充電接口都已經改用Micro USB介面,但充電的來源來自個人電腦、車充或是牆上的變壓器等,由於實際充電環境相對多元,為了能讓系統能運作無虞,過電壓與過電流保護是首要必須克服的挑戰。



圖四 : 說到底,不同應用領域都會需要電源管理晶片,但不同的設計需求,就會衍生出不同的產品來滿足,所以高度整合的類比晶片跟獨立作業的電源管理晶片,其實各有市場所好。(Source:eclecti.cc)
圖四 : 說到底,不同應用領域都會需要電源管理晶片,但不同的設計需求,就會衍生出不同的產品來滿足,所以高度整合的類比晶片跟獨立作業的電源管理晶片,其實各有市場所好。(Source:eclecti.cc)

結論

總體而言,隨著智慧型手機的功能不斷進化,使得系統設計更加複雜,考量到整體表現下,將電源管理晶片由應用處理器中獨立出來負責整體的能源管理,可以說是確定的事實,只是礙於諸多實務上的問題,電源管理晶片仍然會面臨到「整合」與「獨立」的抉擇。只不過,要整合的,也許是其他的子系統的獨立晶片。從成本與系統表現之間的拿捏與權衡,最後還是得看系統業者們的需求而定。


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