移动计算市场电源管理的未来

　　电源管理正迅速成为这个时代的决定性问题，因为消费者希望能够在两次电池充电之间更长时间地在旅途中消费更多的多媒体内容。

　　我们看到全球智能手机价格下降，市场上的入门级到高端型号的选择越来越多，4G LTE网络推广的加速，使这些“无所不能”的设备成为消费者越来越有吸引力的选择。去年，中国取代美国成为智能手机出货量的全球领导者，但我们也看到巴西和印度的需求迅速增长，这些国家人口众多，经济高速增长，中产阶级不断壮大。

　　平板电脑的前景同样是积极的。平板电脑今年可能首次在美国超越笔记本电脑。购买大众无法获得足够的设备，预计这将在全球范围内长期持续下去。我们看到高端平板电脑和超移动笔记本电脑的融合，因为全世界都在弄清楚这些设备如何共存和杂交。

　　有效的电源管理为这些便携式设备带来了一系列日益复杂的设计挑战。与任何其他单一功能相比，电池寿命差导致客户对新智能手机的不满程度更高。随着时间的推移，这只会成为一个更大的问题，除非供应商对其电源管理策略采取新的创新方法。

　　4G智能手机使用大量的电池寿命来搜索下一代网络信号，这些信号目前比3G信号更稀缺，并且它们消耗更多的电池电量来解码可以在频谱内传输的高水平数据。此外，消费者现在更广泛地使用他们的移动设备 - 他们交谈，发短信，发送电子邮件和上网冲浪，但他们也希望能够观看更高清的视频和GPS地图，进行双向视频通话，玩更身临其境的游戏和流媒体音乐。与此同时，消费者需要更明亮、更大、包含更好触摸功能的显示器，以及未来的触觉反馈。这些功能中的每一个都是主要的电池消耗，因此需要有效的电源管理技术。

　　电源管理仍然是一项关键挑战

　　过去，电源管理技术曾经集成在应用处理器中。然而，随着优化电源性能的重要性变得越来越重要，并且在技术上具有挑战性，这种片上方法不再可行。Dialog的配套电源管理集成电路（PMIC）高度可编程，使其能够支持单核或多核应用处理器以及手机中的所有子系统所需的电压调节和供电排序，例如网络和连接堆栈（3G，4G LTE，Wi-Fi，蓝牙和NFC），显示器，高像素摄像头， 以及更多。

　　图 1：现代移动设备所期望的功能需要越来越复杂的电源管理功能。

　　

　　有充分的理由拥有一个与移动设备板上的所有关键通信、多媒体和处理模块高度集成的配套PMIC。PMIC必须产生多达30个不同的电源，以便能够为应用和基带处理器的不同部分提供电压和电流的正确组合。如果设计人员采用片上方法进行电源管理，应用处理器处理这些任务，他们需要一个只能通过聚合多个引脚来承载的高电流电源。片上系统（SoC）设计人员可以使用单独的低电压、低电流电源轨，避免片上电源管理的额外芯片和效率成本，这些电源轨由专用的配套PMIC在片外供电。

　　多种电源管理需求

　　智能手机市场正在多样化，因为它们在全球范围内被采用。平台方法在智能手机中变得越来越重要，因为供应商寻求为消费者提供更多的型号选择，根据市场的不同，通过可选的4G或NFC连接跨越高端到入门级市场。他们面临着每六到九个月推出新型号的压力，以应对消费者对“最新和最强大功能”的需求和竞争对手的活动;平台策略帮助他们在控制成本的同时管理这一过程。

　　新一波智能手机手机供应商正在进入市场，与SoC供应商合作，SoC供应商为OEM提供完整的参考平台，以帮助缩短上市时间和降低开发风险。当然，OEM有能力定制一个平台，以区分他们在市场上开发的产品，这一点很重要。

　　PMIC使供应商能够灵活地设计其智能手机平台，并在该产品的“生命周期”内为不同的市场推出多种型号和设计。它们支持板级设计的最新变化，作为在研发过程中添加到智能手机平台中的附加功能。这也有助于减少PMIC库存，并满足消费市场对数量灵活性的需求。这种可定制性对于与SoC供应商合作的新手机供应商来说也是一个巨大的优势。

　　向多核设备迁移

　　如今，绝大多数智能手机都是单核和双核SoC。在非常高端，有少量的四核。平板电脑也是如此，尽管更大的功率预算（被动冷却设备高达4 W，带风扇的系统高达7-8 W，而智能手机约为1 W）意味着处理器倾向于偏向于更高的内核数量。

　　一些人质疑对多核移动计算设备的需求。当然，今天销售的大多数PC都有双核CPU，因为大多数软件应用程序都是单线程而不是多线程的，并且能够处理多个内核。移动设备的软件更不适合线程化。

　　尽管如此，多核设备仍具有显著的功耗优势。多核设备将简单任务委托给一个内核，同时将更复杂、耗电的任务定向到另一个内核。每个四核或八核应用处理器都需要按特定顺序上下上下进入和退出休眠状态。PMIC充当系统的导体，告诉每个基带或应用处理器设备内部的单个块何时唤醒以及何时进入睡眠状态以节省能源。大多数工作负载仍将是单线程的，并且需要高频率，因此 SoC 必须能够有效地提供聚合吞吐量和单核性能。

　　异构内核，ARM称之为“大”。LITTLE，“将一个小而高效的核心与一个更大、更复杂的核心配对，并在两者之间切换。挑战再次是电源，并通过有效的电源管理解决方案减少开关损失。简而言之，没有足够的电源或冷却来让每个块同时处于高性能模式。当运行高度沉浸式和交互式游戏时，显示器和GPU将消耗大部分功能;CPU实际上必须降低频率和电压才能提供最佳的整体性能。如果还有大量的无线流量，这将变得更加复杂。因此，需要一个先进的PMIC来处理这些开关过程（图2）。

　　图 2：电源管理正在从应用处理器迁移到专用的外部PMIC，就像对话半导体的DA9063一样。

　　

　　4G LTE 和电源性能挑战

　　4G LTE智能手机也面临着功耗性能方面的挑战。当今的数字调制技术将更多的数据位压缩到每个RF通道中，从而产生具有更高“波峰因数”（表示为峰均功率比（PAPR））的更复杂波形。

　　LTE信号具有非常高的波峰因数（通常为7.5至8 dB PAPR），导致发射器的峰值功率要求要高得多。传统的固定电源PA只有在传输波形的峰值处进行压缩时才具有能效。如果设计人员选择使用具有更高电源电压的较大功率放大器（PA），则会浪费大量能源，并且消费者能够在电池充电之间使用LTE设备的时间可能会降至数小时。为了优化电源性能，需要两个配套的PMIC来管理智能手机更复杂的电压和电流要求。

　　节省电路板空间

　　OEM也面临着节省电路板空间的压力，为新功能释放“空间”，并帮助他们保持设备精简，同时降低成本。3D封装技术（或芯片堆叠）的使用在这里带来了好处。通常，芯片堆叠依赖于使用低密度键合线或焊料凸块连接堆叠的不同层。将完全可配置的PMIC与单片集成或堆叠的低功耗音频编解码器结合在单个封装中，可显著节省电路板空间并节省成本。这可能涉及在单个芯片上集成30多种不同的高压和低压电路以及模拟功能。

　　制造业趋势

　　我们还看到了对更薄、更小的几何器件的不懈追求，这些器件包含比以往更多的功能。由于短通道效应和不同的掺杂剂水平，更精细的特征尺寸可能会带来高泄漏电流的危险，最终有可能破坏行业向更小几何形状的发展。

　　我们还看到了新型堆叠材料的出现，例如高k/金属栅极，以及现在已经完全耗尽的晶体管，例如FinFET。现代鳍式FET是高于平面基板的3D结构，对于相同的平面区域，它们比平面门具有更大的体积。鉴于栅极对导通通道的出色控制，栅极“缠绕”在通道周围，当器件处于关闭状态时，允许非常小的电流泄漏通过主体。这允许使用较低的阈值电压，从而实现最佳的开关速度和功率。

　　对于路线图，还有很多其他有前途的研究。例如，Dialog正在与全球最大的合同芯片制造商台湾半导体制造公司（TSMC）合作，采用最先进的0.13微米双极CMOS-DMOS（BCD）技术，将先进的逻辑、模拟和更高电压组件集成到更小的外形尺寸、单芯片电源管理IC中，以支持下一代智能手机、平板电脑和超极本。

　　BCD工艺技术在应用、设计和工艺技术方面体现了推动半导体行业不懈的创新。该技术在同一芯片上集成了模拟双极（B）组件，互补金属氧化物半导体（CMOS）和高压晶体管双扩散金属氧化物半导体（DMOS）。系统设计人员正在接受这项技术，因为它减少了功率损耗、电路板空间和成本。像Dialog这样的芯片合作伙伴正在支持BCD，因为它有助于构建更好，更小，更具创新性的产品。虽然代工厂也发挥着关键作用，因为BCD技术是在200毫米晶圆上制造的，使他们能够扩展其几乎完全折旧的生产线的实用性，并降低最终客户的成本，保持利润，或腾出投资用于其他新兴技术。

　　做出明智的未来赌注

　　Dialog还不断关注未来，试图确定将继续改变行业的新兴技术。例如，我们最近与麻省理工学院的分拆公司北极砂技术公司合作，该公司正在为多个市场（包括智能手机，平板电脑，超极本和数据中心）商业化一种创新的电源转换新方法。

　　DC-DC 电源转换器是当今电源管理集成电路 （IC） 的基本构建模块。Arctic Sand 获得专利的变革性集成电源解决方案 （TIPS） 技术基于开关电容技术，采用独特的转换方法。

　　该技术有助于使用更小的电感元件，从而提高效率，并且比当今的竞争技术具有更高的整体功率密度因数，从而在便携式和数据中心应用中具有显着的优势。

　　利用移动计算的发展

　　根据行业预测，对移动计算设备的需求只会增加。移动设备正在从个人信息设备发展到对我们的日常需求至关重要的移动计算平台。电源性能正迅速成为该时代的决定性问题。与不太满意的用户相比，对设备电池寿命高度满意的智能手机用户更有可能重新购买同一品牌的智能手机。

　　消费者希望在我们的生活中拥有更多种类的设备。例如，少数消费者实际上用平板电脑购买3G或4G数据计划，他们更喜欢在家中和企业中使用Wi-Fi来访问和消费媒体。然而，显而易见的是，人们希望以一种不受束缚的无线方式生活。这给便携式设备的电池寿命带来了更大的压力，需要坚持不懈地关注智能手机、平板电脑和即将上市的新型混合平板电脑/笔记本电脑的三重播放中的电源管理创新。

　　审核编辑：郭婷