移动设备节能要求日增，PMIC功能/制程大改进 - 全文

　　行动装置系统耗电量可望显着下降。处理器、电源管理晶片（PMIC）与感测器业者正分头布局行动装置应用处理器和萤幕省电方案，包括新一代CPU/GPU 协同运算和big.LITTLE大小核设计架构、面板自动刷新、高整合度PMIC，以及主动调节背光源（PRISM）等节能技术，皆是相关业者今年的产品发展重点。

　　晶片大厂竞相出招　手机AP/显示器功耗大减

　　拓墣产业研究所半导体中心研究员许汉州（图1）表示，手机萤幕和应用处理器功耗各占约30？60%系统耗电量，因此要延长续航力势必从这两方面着手。在处理器部分，高通（Qualcomm）、叁星（Samsung）、联发科及安谋国际（ARM）正致力革新晶片设计，除共同推动中央处理器（CPU）、绘图处理器（GPU）协同运算的异质系统架构（HSA）标準，减轻CPU负担与耗电外，亦相继推出高效能CPU核心搭配低功耗核心的big.LITTLE方案，更进一步减少处理器漏电流与动态功耗。

　　随着处理器规格转变，PMIC业者亦紧锣密鼓研发新一代电源管理技术，除因应big.LITTLE大小核心切换需求，推升PMIC的电压、电流动态调整速度外，也将发展大电流输出方案，以满足HSA处理器同时驱动CPU、GPU等异质核心的供电需求。

　　至于萤幕节能方面，许汉州指出，辉达（NVIDIA）已在最新行动处理器平台中导入第二代PRISM技术；该方案透过多核心GPU加高阶影像演算法，将画面切割成不同区块并侦测明暗变化，由处理器动态调整LED背光源亮度，进而省下40%显示器功耗。

　　许汉州透露，一线处理器大厂亦计画在下一代产品中，导入eDP 1.3版的PSR功能，让GPU在萤幕画面静止时休眠，直接由显示面板的时序控制器（TCON）执行资料更新，以节省面板传输介面的耗电量。

　　除改良硬体设计外，要确实降低系统功耗还须软体的配合。益华电脑（Cadence）亚太区技术协理张永专（图2）指出，由于处理器迈向多核心、大小核混搭架构，因而产生更细、更复杂的电源管理区块，驱动处理器、电源晶片和电子设计自动化（EDA）工具商提出新的低功耗电源管理技术，包括动态电压频率调整 （DVFS）、CCOpt（Clock Concurrent Optimization）和MBCI（Multi-bit Cell Inferencing）等。

　　张永专分析，处理器中尤以时脉树（Clock Tree）的运作功耗最高，係迈向节能的首要关键；对此，益华已开发一套系统层级功耗管理工具，包括处理器核心配置、电源模拟与验证机制等，可协助晶片商精确掌握时脉树工作状况，进而改善多核心处理器电路布局，实现低功耗设计。

　　值此同时，处理器导入28奈米以下先进製程后，漏电流问题对晶片轻载耗电量影响将更加突显，因此，张永专透露，益华已与台积电、安谋国际合作，针对28、20和14奈米晶片漏电流进行优化，未来益华将在新一代EDA工具中导入漏电流演算法，协助晶片商解决轻载耗电问题。

　　平板解析度/性能激增　PMIC拓扑架构大换血

　　除手机电源方案加速改朝换代外，平板PMIC亦随着萤幕解析度、系统运算效能大增，规格不断升级；相关晶片商除致力推升产品整合度外，更开始导入笔电电源拓扑，以及手机PMIC的封装技术，期缩减导通损耗与零组件用量，进而提高转换效率。

　　安恩科技（iML）应用技术部资深经理高进发（图3）表示，平板PMIC将逐渐引进高阶电源拓扑设计架构，包括以往在笔电电源晶片中採用的桥式整流器 （Bridge Regulator）、同步整流方案，以及新一代单电感多重输出（Single Inductor Multiple Output）技术，进而提高装置电源转换效率。

　　高进发进一步指出，自从new iPad推出以来，平板已全面迈向全高画质（FHD）以上的萤幕解析度设计，由于背光模组、面板驱动的复杂度大增，因此儘管其PMIC导入高阶拓扑将增加成本，相关晶片商仍义无反顾投入研发，并逐步将PMIC介面改为I2C可编程设计，以优化面板调光、开关等参数的调整机制。

　　据悉，同步整流拓扑在笔电电源晶片中已行之有年，平板PMIC改搭此一架构后，将可改善约3？5%的转换效率。另外，PMIC导入桥式整流器结构亦有助精简面板供电步骤，可直接由电池输入端取得电力，进而缩减电力转换耗损。

　　高进发更透露，愈来愈多电源晶片商在中小尺寸面板电源管理方案中，採用PMIC整合位準转换器（Level Shifter）的设计，主要係友达、群创等面板厂跟进韩系厂商策略，将闸极驱动器（Gate Driver）电路直接内嵌在面板中，开发GIP（Gate in Panel）方案提高组装灵活性，使过去大多与闸极驱动器整合的位準转换器独立出来，PMIC厂为进一步改善系统功耗与体积，遂开始整合其他分离的电源切换元件。

　　不仅如此，在手机平板化的设计趋势带动下，品牌厂对通用型PMIC的需求也更加殷切，已吸引晶片商大举投入研发高整合度、小尺寸PMIC，并发展新兴电源管理系统布局方式，以同时改善电源效率、占位空间和散热机制，协助行动装置製造商快速开发手机、平板和平板手机（Phablet）等多样尺寸产品。

　　手机/平板渐融合　通用型PMIC加速发展

　　奥地利微电子（Austria Microelectronics）市场经理Don Travers（图4）表示，以往手机、平板PMIC规格有所差异，随着产品尺寸日益多元，上市时程压力剧增，品牌和处理器业者均希望尽量缩减设计改变幅度和成本，并达到新产品快速上市的目标，已刺激手机、平板通用型PMIC方案崛起。

　　此外，行动装置处理器与PMIC之间沟通紧密，传统设计上大多将两颗晶片的距离拉近，以减轻资料传输负担与功耗，却也引发热源集中的问题，反而影响系统效率。为改进散热问题，PMIC业者竞相提出新的系统布局模式，并针对大尺寸手机更加复杂的多核心处理器、背光模组功率管理需求，取法平板电源控制的优点，以兼顾手机效能与续航力。

　　Travers强调，因应市场需求，奥地利微电子即跳脱一般PMIC商专攻手机或平板的单线发展模式，除积极扩张手机、平板通用型PMIC阵容外，近期更发布一项PMIC远端回馈线路专利，大幅简化行动装置系统设计与散热问题。

　　据悉，该方案目标係简化电源管理系统布线，并拉开处理器与PMIC的距离以分散热源，透过在处理器端外挂一颗功率级（Power Stage）模组，再以远端回馈线路串连高整合度PMIC，可因应处理器动态电源负载变化做出迅速反应，同时提供较高的转换效率及更灵活的印刷电路板 （PCB）布局。

　　随着PMIC整合更多控制元件与电路，并引进数位设计拓扑提升效率，晶圆代工厂和电源晶片商也研拟导入先进製程，开发新一代异质功能整合PMIC，满足复杂的系统电源管理需求。

　　迈向异质功能整合　PMIC加速制程演进脚步

　　联电市场行销处技术经理杨登棠（图5）表示，高通、戴乐格（Dialog）正积极布局整合MCU及DSP核心的下世代PMIC，藉以提升晶片整合度，让行动装置业者有更多设计空间塞进新应用功能，并提高电源管理效率。随着类比/数位异质晶片融合需求浮现，PMIC晶片商将改变以往类比IC不追求先进製程的概念，加速从现阶段主流的0.18微米製程，跨入0.13/0.11微米，甚至在1？2年内朝90、65/55奈米迈进。

　　不同于数位晶片、随机存取记忆体（RAM）均须倚赖奈米先进制程，才能提高逻辑密度及运算效能，同时减轻功耗、尺寸及生产成本；PMIC等各种类比晶片对电晶体密度的要求则较低，反而着重在晶圆后段导线製作或深沟层隔离（Deep Trench Isolation， DTI）等技术，以改善导通电阻（RDS（ON））及各种操作特性，因此主流製程仍停留在0.18微米以上，晶圆尺寸也还在用六吋、八吋方案，每2年晶片体积微缩比率仅有10~25%。

　　然而，杨登棠分析，目前行动装置PMIC内部至少都有二十到五十个功能区块，且接脚数超过两百个；加上晶片商正致力研发类比/数位异质晶片整合型 PMIC，而新增的MCU、DSP、杂讯消除IC等数位核心一定要以先进製程来做才能发挥经济效益，在PMIC整合度不断翻升之下，朝奈米製程演进的需求已开始涌现。同时，相关大厂考量先进製程成本较高，更研拟在2？3年内全面改搭12吋晶圆生产，将晶片产出数量提升两倍以上，进而缩减10%左右的量产成本。

　　因应新世代PMIC製作需求，杨登棠透露，联电将部署0.11微米、65/55奈米BCD（Bipolar-CMOS-DMOS）等多元製程。其中，0.11微米方案已开始试产，今年底将正式上线，该公司旗下七个八吋晶圆厂将有五个支援此製程节点，至于65/55奈米BCD方案则是未来主攻重点，将持续加码投资。此外，联电近期还与一家晶片厂携手合作90奈米客製化PMIC製程，并已进入测试阶段。

　　事实上，行动装置品牌厂不仅希望节省晶片耗电，也须要开闢更多电力来源，以满足用户行动运算的需求，因而带动晶片商投入发展微型、高效率交流对直流（AC-DC）充电方案。

　　确保充电快又準　充电器/测试方案翻新

　　恩智浦（NXP）电源方案资深产品行销经理张锡亮（图6）强调，EuP Lot 6节能规範施行后，行动装置业者已面临更严格的产品功耗要求，包括在待机模式下不得超过1瓦（W）；而关机模式则须低于0.5瓦耗电量等规範，因而须导入更新一代的电源转换器晶片方案，提高电源转换效率。

　　张锡亮分析，要降低待机功耗的首要关键就是减少系统零组件用量，因此电源晶片商正竞相发展一次侧回授（PSR）、同步整流AC-DC拓扑设计方案，将充电器的零组件控制在叁十颗以下，并满足各种国际节能规範的电源效率要求。

　　尤其近来手机和平板充电器共用的设计趋势成形，更将驱动AC-DC电源设计转变。张锡亮指出，由于手机充电功率为5瓦，而平板多在11瓦左右，因此新一代充电器须侦测装置所需电压，以辨别并切换手机或平板充电模式。目前恩智浦已开发一套小型化AC-DC解决方案，可透过在二次侧侦测负载变化，动态调整一次侧的开关模式电源（SMPS）控制器，同步支援平板、手机充电。

　　随着行动装置充电技术革新，新兴系统与电池电流量测方案的需求也开始涌现。安捷伦应用工程部资深专案经理祁子年（图7）表示，手机厂在开发软硬体时须执行一系列标竿测试，包括评估整体装置与电路的电池消耗，以及验证应用程式对系统电力供应的影响等。

　　祁子年指出，行动装置大多皆导入省电模式，以短丛发的发讯方式运作节省电力，由于装置在此模式下耗电流非常低，传统量测方案的动态範围无法準确测量出系统功耗变化，因此业界正兴起互补累计分布函数（CCDF）量测方案，并搭配脉衝式电流抽取技术，同时扩充仪器的动态电流範围，从而分析并最佳化行动装置省电模式的运作模式。

　　增加手机电力来源　电池厂竞逐新材料技术

　　儘管系统节能设计功夫已有长足进步，但手机厂最终的期待仍是扩充电池容量，工研院IEK产业分析师吕学隆（图8）表示，手机电池效能每年提升比重仅约 5~8%，远不及新产品功能演进速度，因此，电池业者已规画从电池正负极材料、驱动电压和极板设计叁方面着手，期能兼顾电池体积、容量和成本。

　　吕学隆透露，叁星SDI近期已在电池表面镀上新材料，开发出4.4伏特（V）高压驱动的锂电池方案，藉以改善电流耗损过多的问题，并妥善利用每一分电力；同时，该公司也利用涂布製程及特殊复合材料，提高电池极板的能量密度。至于乐金化学（LG Chemical）和日本户田工业等日韩电池材料大厂，则投入开发下世代正负极材料，将以锂叁元系、氧化硅等方案增加蓄电量。

　　显而易见，随着行动装置功能规格迅速攀升，晶片商、电池和量测业者均不遗余力发展「开源节流」的解决方案。其中，由于PMIC掌管系统供电，对新一代行动装置的发展尤其重要，产值可望从2012年的15亿美元，飙升至2016年的24亿美元，为相关业者带来更多商机。