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台灣電源IC設計廠商大步前進!
強化多媒體行動裝置低功耗設計

【作者: 鍾榮峰】   2008年07月31日 星期四

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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》
《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》
《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》
《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》
《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》
《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》
《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
《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
《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!


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