電源管理正迅速成為這個(gè)時(shí)代的決定性問題，因?yàn)橄M(fèi)者希望能夠在兩次電池充電之間更長時(shí)間地在旅途中消費(fèi)更多的多媒體內(nèi)容。

我們看到全球智能手機(jī)價(jià)格下降，市場上的入門級到高端型號的選擇越來越多，4G LTE網(wǎng)絡(luò)推廣的加速，使這些“無所不能”的設(shè)備成為消費(fèi)者越來越有吸引力的選擇。去年，中國取代美國成為智能手機(jī)出貨量的全球領(lǐng)導(dǎo)者，但我們也看到巴西和印度的需求迅速增長，這些國家人口眾多，經(jīng)濟(jì)高速增長，中產(chǎn)階級不斷壯大。

平板電腦的前景同樣是積極的。平板電腦今年可能首次在美國超越筆記本電腦。購買大眾無法獲得足夠的設(shè)備，預(yù)計(jì)這將在全球范圍內(nèi)長期持續(xù)下去。我們看到高端平板電腦和超移動筆記本電腦的融合，因?yàn)槿澜缍荚谂宄@些設(shè)備如何共存和雜交。

有效的電源管理為這些便攜式設(shè)備帶來了一系列日益復(fù)雜的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)。與任何其他單一功能相比，電池壽命差導(dǎo)致客戶對新智能手機(jī)的不滿程度更高。隨著時(shí)間的推移，這只會成為一個(gè)更大的問題，除非供應(yīng)商對其電源管理策略采取新的創(chuàng)新方法。

4G智能手機(jī)使用大量的電池壽命來搜索下一代網(wǎng)絡(luò)信號，這些信號目前比3G信號更稀缺，并且它們消耗更多的電池電量來解碼可以在頻譜內(nèi)傳輸?shù)母咚綌?shù)據(jù)。此外，消費(fèi)者現(xiàn)在更廣泛地使用他們的移動設(shè)備 - 他們交談，發(fā)短信，發(fā)送電子郵件和上網(wǎng)沖浪，但他們也希望能夠觀看更高清的視頻和GPS地圖，進(jìn)行雙向視頻通話，玩更身臨其境的游戲和流媒體音樂。與此同時(shí)，消費(fèi)者需要更明亮、更大、包含更好觸摸功能的顯示器，以及未來的觸覺反饋。這些功能中的每一個(gè)都是主要的電池消耗，因此需要有效的電源管理技術(shù)。

電源管理仍然是一項(xiàng)關(guān)鍵挑戰(zhàn)

過去，電源管理技術(shù)曾經(jīng)集成在應(yīng)用處理器中。然而，隨著優(yōu)化電源性能的重要性變得越來越重要，并且在技術(shù)上具有挑戰(zhàn)性，這種片上方法不再可行。Dialog的配套電源管理集成電路（PMIC）高度可編程，使其能夠支持單核或多核應(yīng)用處理器以及手機(jī)中的所有子系統(tǒng)所需的電壓調(diào)節(jié)和供電排序，例如網(wǎng)絡(luò)和連接堆棧（3G，4G LTE，Wi-Fi，藍(lán)牙和NFC），顯示器，高像素?cái)z像頭， 以及更多。

圖 1：現(xiàn)代移動設(shè)備所期望的功能需要越來越復(fù)雜的電源管理功能。

有充分的理由擁有一個(gè)與移動設(shè)備板上的所有關(guān)鍵通信、多媒體和處理模塊高度集成的配套PMIC。PMIC必須產(chǎn)生多達(dá)30個(gè)不同的電源，以便能夠?yàn)閼?yīng)用和基帶處理器的不同部分提供電壓和電流的正確組合。如果設(shè)計(jì)人員采用片上方法進(jìn)行電源管理，應(yīng)用處理器處理這些任務(wù)，他們需要一個(gè)只能通過聚合多個(gè)引腳來承載的高電流電源。片上系統(tǒng)（SoC）設(shè)計(jì)人員可以使用單獨(dú)的低電壓、低電流電源軌，避免片上電源管理的額外芯片和效率成本，這些電源軌由專用的配套PMIC在片外供電。

多種電源管理需求

智能手機(jī)市場正在多樣化，因?yàn)樗鼈冊谌蚍秶鷥?nèi)被采用。平臺方法在智能手機(jī)中變得越來越重要，因?yàn)楣?yīng)商尋求為消費(fèi)者提供更多的型號選擇，根據(jù)市場的不同，通過可選的4G或NFC連接跨越高端到入門級市場。他們面臨著每六到九個(gè)月推出新型號的壓力，以應(yīng)對消費(fèi)者對“最新和最強(qiáng)大功能”的需求和競爭對手的活動;平臺策略幫助他們在控制成本的同時(shí)管理這一過程。

新一波智能手機(jī)手機(jī)供應(yīng)商正在進(jìn)入市場，與SoC供應(yīng)商合作，SoC供應(yīng)商為OEM提供完整的參考平臺，以幫助縮短上市時(shí)間和降低開發(fā)風(fēng)險(xiǎn)。當(dāng)然，OEM有能力定制一個(gè)平臺，以區(qū)分他們在市場上開發(fā)的產(chǎn)品，這一點(diǎn)很重要。

PMIC使供應(yīng)商能夠靈活地設(shè)計(jì)其智能手機(jī)平臺，并在該產(chǎn)品的“生命周期”內(nèi)為不同的市場推出多種型號和設(shè)計(jì)。它們支持板級設(shè)計(jì)的最新變化，作為在研發(fā)過程中添加到智能手機(jī)平臺中的附加功能。這也有助于減少PMIC庫存，并滿足消費(fèi)市場對數(shù)量靈活性的需求。這種可定制性對于與SoC供應(yīng)商合作的新手機(jī)供應(yīng)商來說也是一個(gè)巨大的優(yōu)勢。

向多核設(shè)備遷移

如今，絕大多數(shù)智能手機(jī)都是單核和雙核SoC。在非常高端，有少量的四核。平板電腦也是如此，盡管更大的功率預(yù)算（被動冷卻設(shè)備高達(dá)4 W，帶風(fēng)扇的系統(tǒng)高達(dá)7-8 W，而智能手機(jī)約為1 W）意味著處理器傾向于偏向于更高的內(nèi)核數(shù)量。

一些人質(zhì)疑對多核移動計(jì)算設(shè)備的需求。當(dāng)然，今天銷售的大多數(shù)PC都有雙核CPU，因?yàn)榇蠖鄶?shù)軟件應(yīng)用程序都是單線程而不是多線程的，并且能夠處理多個(gè)內(nèi)核。移動設(shè)備的軟件更不適合線程化。

盡管如此，多核設(shè)備仍具有顯著的功耗優(yōu)勢。多核設(shè)備將簡單任務(wù)委托給一個(gè)內(nèi)核，同時(shí)將更復(fù)雜、耗電的任務(wù)定向到另一個(gè)內(nèi)核。每個(gè)四核或八核應(yīng)用處理器都需要按特定順序上下上下進(jìn)入和退出休眠狀態(tài)。PMIC充當(dāng)系統(tǒng)的導(dǎo)體，告訴每個(gè)基帶或應(yīng)用處理器設(shè)備內(nèi)部的單個(gè)塊何時(shí)喚醒以及何時(shí)進(jìn)入睡眠狀態(tài)以節(jié)省能源。大多數(shù)工作負(fù)載仍將是單線程的，并且需要高頻率，因此 SoC 必須能夠有效地提供聚合吞吐量和單核性能。

異構(gòu)內(nèi)核，ARM稱之為“大”。LITTLE，“將一個(gè)小而高效的核心與一個(gè)更大、更復(fù)雜的核心配對，并在兩者之間切換。挑戰(zhàn)再次是電源，并通過有效的電源管理解決方案減少開關(guān)損失。簡而言之，沒有足夠的電源或冷卻來讓每個(gè)塊同時(shí)處于高性能模式。當(dāng)運(yùn)行高度沉浸式和交互式游戲時(shí)，顯示器和GPU將消耗大部分功能;CPU實(shí)際上必須降低頻率和電壓才能提供最佳的整體性能。如果還有大量的無線流量，這將變得更加復(fù)雜。因此，需要一個(gè)先進(jìn)的PMIC來處理這些開關(guān)過程（圖2）。

圖 2：電源管理正在從應(yīng)用處理器遷移到專用的外部PMIC，就像對話半導(dǎo)體的DA9063一樣。

4G LTE 和電源性能挑戰(zhàn)

4G LTE智能手機(jī)也面臨著功耗性能方面的挑戰(zhàn)。當(dāng)今的數(shù)字調(diào)制技術(shù)將更多的數(shù)據(jù)位壓縮到每個(gè)RF通道中，從而產(chǎn)生具有更高“波峰因數(shù)”（表示為峰均功率比（PAPR））的更復(fù)雜波形。

LTE信號具有非常高的波峰因數(shù)（通常為7.5至8 dB PAPR），導(dǎo)致發(fā)射器的峰值功率要求要高得多。傳統(tǒng)的固定電源PA只有在傳輸波形的峰值處進(jìn)行壓縮時(shí)才具有能效。如果設(shè)計(jì)人員選擇使用具有更高電源電壓的較大功率放大器（PA），則會浪費(fèi)大量能源，并且消費(fèi)者能夠在電池充電之間使用LTE設(shè)備的時(shí)間可能會降至數(shù)小時(shí)。為了優(yōu)化電源性能，需要兩個(gè)配套的PMIC來管理智能手機(jī)更復(fù)雜的電壓和電流要求。

節(jié)省電路板空間

OEM也面臨著節(jié)省電路板空間的壓力，為新功能釋放“空間”，并幫助他們保持設(shè)備精簡，同時(shí)降低成本。3D封裝技術(shù)（或芯片堆疊）的使用在這里帶來了好處。通常，芯片堆疊依賴于使用低密度鍵合線或焊料凸塊連接堆疊的不同層。將完全可配置的PMIC與單片集成或堆疊的低功耗音頻編解碼器結(jié)合在單個(gè)封裝中，可顯著節(jié)省電路板空間并節(jié)省成本。這可能涉及在單個(gè)芯片上集成30多種不同的高壓和低壓電路以及模擬功能。

制造業(yè)趨勢

我們還看到了對更薄、更小的幾何器件的不懈追求，這些器件包含比以往更多的功能。由于短通道效應(yīng)和不同的摻雜劑水平，更精細(xì)的特征尺寸可能會帶來高泄漏電流的危險(xiǎn)，最終有可能破壞行業(yè)向更小幾何形狀的發(fā)展。

我們還看到了新型堆疊材料的出現(xiàn)，例如高k/金屬柵極，以及現(xiàn)在已經(jīng)完全耗盡的晶體管，例如FinFET。現(xiàn)代鰭式FET是高于平面基板的3D結(jié)構(gòu)，對于相同的平面區(qū)域，它們比平面門具有更大的體積。鑒于柵極對導(dǎo)通通道的出色控制，柵極“纏繞”在通道周圍，當(dāng)器件處于關(guān)閉狀態(tài)時(shí)，允許非常小的電流泄漏通過主體。這允許使用較低的閾值電壓，從而實(shí)現(xiàn)最佳的開關(guān)速度和功率。

對于路線圖，還有很多其他有前途的研究。例如，Dialog正在與全球最大的合同芯片制造商臺灣半導(dǎo)體制造公司（TSMC）合作，采用最先進(jìn)的0.13微米雙極CMOS-DMOS（BCD）技術(shù)，將先進(jìn)的邏輯、模擬和更高電壓組件集成到更小的外形尺寸、單芯片電源管理IC中，以支持下一代智能手機(jī)、平板電腦和超極本。

BCD工藝技術(shù)在應(yīng)用、設(shè)計(jì)和工藝技術(shù)方面體現(xiàn)了推動半導(dǎo)體行業(yè)不懈的創(chuàng)新。該技術(shù)在同一芯片上集成了模擬雙極（B）組件，互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體（CMOS）和高壓晶體管雙擴(kuò)散金屬氧化物半導(dǎo)體（DMOS）。系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員正在接受這項(xiàng)技術(shù)，因?yàn)樗鼫p少了功率損耗、電路板空間和成本。像Dialog這樣的芯片合作伙伴正在支持BCD，因?yàn)樗兄跇?gòu)建更好，更小，更具創(chuàng)新性的產(chǎn)品。雖然代工廠也發(fā)揮著關(guān)鍵作用，因?yàn)锽CD技術(shù)是在200毫米晶圓上制造的，使他們能夠擴(kuò)展其幾乎完全折舊的生產(chǎn)線的實(shí)用性，并降低最終客戶的成本，保持利潤，或騰出投資用于其他新興技術(shù)。

做出明智的未來賭注

Dialog還不斷關(guān)注未來，試圖確定將繼續(xù)改變行業(yè)的新興技術(shù)。例如，我們最近與麻省理工學(xué)院的分拆公司北極砂技術(shù)公司合作，該公司正在為多個(gè)市場（包括智能手機(jī)，平板電腦，超極本和數(shù)據(jù)中心）商業(yè)化一種創(chuàng)新的電源轉(zhuǎn)換新方法。

DC-DC 電源轉(zhuǎn)換器是當(dāng)今電源管理集成電路 （IC） 的基本構(gòu)建模塊。Arctic Sand 獲得專利的變革性集成電源解決方案 （TIPS） 技術(shù)基于開關(guān)電容技術(shù)，采用獨(dú)特的轉(zhuǎn)換方法。

該技術(shù)有助于使用更小的電感元件，從而提高效率，并且比當(dāng)今的競爭技術(shù)具有更高的整體功率密度因數(shù)，從而在便攜式和數(shù)據(jù)中心應(yīng)用中具有顯著的優(yōu)勢。

利用移動計(jì)算的發(fā)展

根據(jù)行業(yè)預(yù)測，對移動計(jì)算設(shè)備的需求只會增加。移動設(shè)備正在從個(gè)人信息設(shè)備發(fā)展到對我們的日常需求至關(guān)重要的移動計(jì)算平臺。電源性能正迅速成為該時(shí)代的決定性問題。與不太滿意的用戶相比，對設(shè)備電池壽命高度滿意的智能手機(jī)用戶更有可能重新購買同一品牌的智能手機(jī)。

消費(fèi)者希望在我們的生活中擁有更多種類的設(shè)備。例如，少數(shù)消費(fèi)者實(shí)際上用平板電腦購買3G或4G數(shù)據(jù)計(jì)劃，他們更喜歡在家中和企業(yè)中使用Wi-Fi來訪問和消費(fèi)媒體。然而，顯而易見的是，人們希望以一種不受束縛的無線方式生活。這給便攜式設(shè)備的電池壽命帶來了更大的壓力，需要堅(jiān)持不懈地關(guān)注智能手機(jī)、平板電腦和即將上市的新型混合平板電腦/筆記本電腦的三重播放中的電源管理創(chuàng)新。

審核編輯：郭婷