可携式产品电源省能设计要点

随着手机、PDA、MP3、PMP（Portable Media Player）、数位相机等可携式产品在消费市场日益普及，如何让电池直流电压（DC/DC）在各零组件中发挥最大功效以及最佳电源省能效果，一直都是电源管理IC研发团队殚精竭虑的思考焦点。其中，属于类比IC范畴的电源管理单元PMU（Power Management Unit）及电压调整（Voltage Regulator）相关零组件，更是业界提升省能效率的设计对象，也是台湾多数电源管理厂商研发省能方案的主要内容。

在可携式装置电源省能产品类别上，台湾IC设计厂商主要集中于DC/DC及LDO产品；LDO研发门槛较低，且发展时程较早，因此台湾厂商相当熟悉。一般而言，DC/DC主要控制手持装置在通话高负载（High-Loading）时的电压，LDO（Low Drop Out）则是处理手持装置于待机（No-Load）低负载时的电压。目前相关厂商多应用LDO稳压，因其成本较低，且适合处理零组件功率损耗不高的降压情况。不过DC/DC的省能效率却比LDO来得高，自然成本也较高。由于分流至可携式产品各零组件的工作电压不尽相同，因此当电池直流电降压以便分流至各零组件时，压差便会出现，电压的负载量（Loading）就会变大，这时便适合应用DC/DC模式，倘若压差及负载量小，那么便适合使用LDO模式。

《图一 LDO OFF state示意图》

＜注：资料来源：东瑞电子＞

可携式产品的省能设计趋势，在于提高晶片效率、提升电压稳定度、加强系统整合这三项重点。因此，针对延长电池寿命、兼顾低杂讯与低耗电、降低待机（Stand by；No-Load）时静态电压（Low Quiescent Current；IQ）、提高切换频率效能、降低尴尬电压等技术课题，台湾电源省能IC设计厂商也提出相适应的解决方案，研发出各类DC/DC与LDO整压晶片、处理高负载脉冲宽度调变PWM（Pulse Width Modulator）及脉冲频率调变PFM（Pulse Frequency Modulation）等切换频率晶片产品和设计模式，并强调整合FAE（Field Application Engineer）及R&D团队、与采用多元客制化设计内容等操作方式，以求站稳既有的竞争优势。

以下便从厂商成果为出发点，具体呈现目前在可携式产品电源省能的设计趋势。

东瑞：引领智慧型手机省能新风潮

作为日本理光（Ricoh）的合作伙伴，从2005年中旬开始，东瑞（Aeneas）特别集中在LED Driver、LDO以及DC/DC三大领域，LED Driver亦包括闪光灯设计内容。可携式产品包罗万象，东瑞特别针对智慧型手机（Smartphone）提出新款的电源省能解决方案，这也是东瑞未来市场​​策略的发展重点。

《图二 东瑞电子台湾销售事业部经理曾昀亮》

东瑞台湾销售事业部经理曾昀亮表示，为符合并提升智慧型手机等多媒体手持装置（Multi-Media Devices）的多元省能需求，东瑞代理的Ricoh手机电源管理IC产品，不仅多以CMOS制程为主，同时也将过去LDO的两组设计增加为四组，并且在Ricoh的协助下，东瑞针对智慧型手机设计出整合LDO与DC/DC的低压降控制器IC产品。

ECO整压省能模式

为达到省电高效能的设计目标，Ricoh开发出ECO（Economical）整合控制IC模式，并且已实际应用在多款手机产品。 ECO模式是藉由CE pin设计来展现其最佳化功能，这模式运作大要是：当CE pin处于ON时，可分为当手机处于通话高负载、ECO模式切换为high状态；以及当手机处于待机低负载、ECO模式切换为low状态；而CE pin处于OFF时便是关机状态。电源控制IC便运用转换ECO模式的设计，确实达到省能的目的。

在手机电源升降压设计上，东瑞几乎采取降压方式，将电池4.4V电压先降至3.3V以避免功率过度损耗，再降压分流满足2.5V、2.8V以及1.8V等各零组件的工作电压。

PMU客制化解决方案

不仅在智慧型手机，在3G手机市场Ricoh也独领风骚。以往Ricoh与Qualcomm 3G基频晶片紧密合作，因此Ricoh在日韩3G手机电源管理IC市场能拥有60～70％的市占率，不过如今Qualcomm已渐趋朝向独自开发3G基频整合电源管理IC的PMU产品。为未雨绸缪，除了巩固既有PMU电源管理设计优势外，Ricoh也开始朝向整合LED driver以及LDO零组件的设计方向发展。在LED driver的设计上，Ricoh采用较新的并联4＋2组内容；若以折叠式手机来说，主萤幕搭配四颗LED driver，次萤幕搭配两颗，再配合两颗LDO、两颗DC/DC ，形成整体的Sub PMU电源管理解决方案。

兼顾低耗电低杂讯

除了侧重于满足中高阶手机产品的低耗电要求外，由于手机产品特别注重强调低杂讯（High-Ripple Rejection）的通话品质，因此Ricoh与东瑞亦重视兼顾低杂讯与低耗电的产品设计需求，目前已有Single LDO电源晶片产品问世，其设计成果更可由比较系列产品的性能得知。例如在150mA系列中，过去产品的Low Supply Current就有75uA，High PSRR（Power Supply Ripple Radio）也达到70db。新款产品中的LSC却能够降到1uA，High-Ripple Rejection也只有40～45db。

以FAE为基础整合团队

为提高对系统客户的服务品质，东瑞FAE部门的研发人员，特别注重与客户从Design In开始的设计整合流程；R&D工程师也会构思不同的电源设计产品蓝图，以满足Ricoh和东瑞产品行销的客制化需求。东瑞也会依据客户所提供的电源参数（Vin、Vout与Iout），整合FAE与R&D团队，具体实现客户所著重的Ripple Rejection以及Package的要求，设计出弹性化（flexibility）的电源管理IC产品。

沛亨：开创手持装置省能新契机

沛亨（AIC）除了着重比例在40％的LCD TV省能设计产品之外，可携式省能产品则以手机为主，尽管目前沛亨尚无PMU产品出现，不过相关省能设计也被广泛应用在MP3以及P​​MP等装置上。未来沛亨将投注心力朝向笔记型电脑与手持式产品省能解决方案发展，体积、成本、效率就是沛亨考虑可携式产品省能设计的三大重点。

《图三 沛亨半导体产品营销部工程师尹文婷》

从静态电压着手

沛亨产品行销部工程师尹文婷表示，Power IC节流会是未来可携式省能装置的主要设计趋势。 Power IC省能设计以节省静态电压为核心，提升诸如降压转换器（Step/down Converter）功能的低功耗设计方案，这也是沛亨目前所关注的焦点。若要降低静态电压，IC制程举足轻重，bipolar制程由于是以电流驱动，其IQ静态电压会较高。从可携式产品角度来看，采用CMOS制程较能符合需求，因其具有较省电、功耗低且效率佳的性能。当然能够再缩小体积的BCD（Bipolar/CMOS/DMOS（Double Diffused MOS））制程当然是未来的明日之星，不过BCD制程的IC元件单价成本较高，技术上也有待突破，就IC Design House角度来看，目前并不符合应用成本需求，因此如何在体积与成本之间找到平衡点，会是BCD能否脱颖而出的关键。

《图四 手机电源省能管理示意图》

＜注：资料来源：沛亨半导体＞

LDO设计要点

目前LDO的设计要点在于，如何让电压降得更小，并使Vout输出端的电压更稳定。因为LDO具低杂讯的优点，因此适合被应用于诸如MP3等可携式音乐播放器。包括LDO在内每一零组件都会散发出杂讯，而零组件的Vin 和Vout都有设计电容器，用以过滤电流、降低干扰，或者藉由内部元件的设计降低杂讯。尹文婷认为，如何同时达到低杂讯及低耗电，便是电源IC设计厂商的know-how所在。

此外尹文婷也表示，切换频率越来越高会是未来设计研发的趋势，因为切换频率越高，所需外部元件就会越少，元件数目要越小，才能有效利用可携式产品有限的空间；元件越多，所抽取的负载电流也会更多，进而会影响可携式产品电源省能的效率。

PWM切换频率模式

另外在Control Mode部分，相关厂商则采取诸如PWM或PFM切换频率晶片设计的模式。 PWM Control Mode有两种：一种是较容易设计的Current Mode，另一种是属于较难设计的Voltage Mode。拥有整合升降压功能于单一电源管理IC设计能力的大厂屈指可数，Linear便具代表性，其以Buck-Boost Converter为核心，能使切换频率时电流起伏稳定平顺（smooth），波型起伏不会过大，台湾厂商在这方面的技术专利内容差距相当明显。不过尹文婷认为，大厂的PWM IC设计专利，并不会对本土厂商有太大的影响，还是端赖各家在后续产品研发设计的功力。对于可携式终端系统厂商而言，可接受较宽的切换频率范围，因此厂商常应用能处理低负载电压的PFM晶片。沛亨也希望在这方面，把静态电压降到个位数字之内。

Mixed Mode IC的未来

对整合MCU与电源IC的SoC设计趋势，尹文婷认为，Mixed Mode IC只有与跨国大厂合作才有可行性。在MP3产品中，虽已有IC设计大厂把LDO整合在同一晶片中，不过低负载的降压波动并不明显，因此整合省能效率的优势并不突出，甚至有些解决方案会出现电压不稳、负载量反而过重的问题。主要IC大厂虽能自行设计核心晶片1.8V的整合方案，但周边元件需要更高的电压输出，各零组件工作电压亦不尽相同，其间的复杂整合方案，仍需要电源管理IC厂商的专业设计。

延长电池使用效率

《图五 低噪声整合电路供应设计示意图》

＜注：资料来源：沛亨半导体＞

要延长电池使用效率，便牵涉到SoC，也与降低静态电压有关。以数位相机为例，其省能结构与其他手持装置类似，采用两颗干电池及一颗锂电池的电源供应架构，干电池以Switching Buck IC整合ULDO运作升降压，锂电池则由LDO降压；高阶手持装置产品需要用到七个channel的IC设计，并借同颗IC处理不同电压的升降。沛亨目前已推出整合MCU与LDO的SoC产品，可应用在PMP、MP3、手机等，借此也保持与IDM（Integrated Device Manufacturer）大厂的合作关系。

属于被动元件的电源IC，还是要服从MCU主IC的讯号回应，因此韧体（firmware）设计也相当重要。不过一般而言FAE团队与主要MCU设计大厂合作研发韧体的机会较少，但沛亨已在诸如MP3、数位相机、小尺寸面板IC产品上，与主要IC厂商搭配，因应MCU厂商的需求，设计出客制化的Power IC晶片。

立锜：抓住数位相机省能新趋势

立锜（RichTek）的省能方案主要针对数位相机产品。立锜技术行销工程部资深工程师张巍腾表示，整体来说电源省能设计是以解决Time-Controller的升降压效率，并针对零组件工作电压需求，提出相适应的解决方案。以改良IC内部设计为主要重点，由IC的职能来决定待机模式的电流大小。像CPU搭配I/O（3.3V）、Cord（1.8V）、Memory（2.5V）三组电压，为适应各类手持装置各零组件工作电压不同的状况，电压供给会以MOS作为区隔。其中各类可携式产品的省能解决方案，也有不尽相同之处。

《图六 LDO整合LED driver测试效率示意图 》

＜注：资料来源：立锜＞

数位相机省能设计要点

以PDA为例，要点是如何解决从开始400MHz高频率电压降到200至333MHz、以及PDA的V Cord如何从1.3V降到1.1V或1.0V。至于Video Camera由于需要播放影片、且采多工应用模式，电压升降起伏会较大，因此在电压设计上，便需要速度快的负载电压模式，以满足Video Camera各零组件的工作电压需求。数位相机的省能解决方案则不同，要不全速运作电压、否则就是处于OFF休机的应用特色，电压相对比较稳定，V Cord不会有剧烈的变化，频率应该都维持在1.8V左右，因此无需特别着墨在调降电压、或是追求速度快的负载电压模式。数位相机前端以DC/DC为主，在CCD本身前端，则内装一至三颗LDO处理工作电压；CCD影像画质会以LDO模式，处理从3.3V到3.2V的降压情况，CMOS影像画质则无须应付降压。由此可知，不同的可携式装置，有着既共通又殊异的省能升降压设计方案。

《图七 手持装置降压转换示意图》

＜注：资料来源：立锜＞

兼顾低杂讯与低耗电

张巍腾表示，立锜的LDO设计内容强调速度快、低噪音、低耗能，并且着重兼顾低耗电与低杂讯的平衡设计。杂讯与电压差有关，比较电压从5V降到3.3V与3.5V降到3.3V的不同情况便可知，前者杂讯较大，降低杂讯噪音的know-how，牵涉到电源管理IC设计的商业竞争核心，更是相关厂商能否在业界脱颖而出的重要关键。

强化待机省能效率

至于在待机省能电源设计，张巍腾表示，相关厂商多以关闭无须运作的block零组件区域为主要模式，剩下运作的block则采省电设计，其箇中诀窍也是know-how关键技术所在。消费者使用时间与待机时间相比，往往是2：8甚至1：9，因此待机省能设计对整体省能方案影响甚巨，台湾与国外大厂在这方面的差距也相当明显。在待机模式时，由于处于enable high light pin阶段，不同于一般使用时段的enable low light pin，台湾厂商在此阶段的设计能力最多只能达到50～60mA，一般则在70～80mA、甚至可高达100mA以上，但国际大厂如Power Integration等可以设计到20～30mA，立锜本身则可以压到40～50mA。

高频率设计趋势

立锜在DC/DC仍以单Chain设计为主，为让客户节省零组件数目，针脚pin也会采取5～8个精简设计。在外部零件上只要三颗降压器：Vin 端、Vout 端与主IC各搭配一组电感／电容器。此外频率会往负速趋势走：频率越高，电感／电容组可以做得越小，便可达成降低成本的目标。张巍腾认为，目前台湾厂商在可携式产品省能设计的趋势，除了将体积缩小、零组件数目减少之外，也不约而同朝向高频率的研发设计方向发展。

消弭尴尬电压问题

至于在升降压部分，张巍腾进一步说明，升降压目的在试图解决所谓尴尬电压的问题。一般而言锂电池所供应的电压从3.0V涵盖到4.2V，且可携式产品内的零组件工作电压不尽相同，这其中的波动幅度（Ripo）便是尴尬电压的表现。若由同一颗IC扮演切换频率升降压的的角色，便可降低尴尬电压。目前单颗IC升降压​​的设计方案，仍以Linear Buck -Boost系列产品最具代表性，且Linear的设计方案在IP（Intellectual Property）内容极具竞争力，Linear能以四颗大MOS（MOSFET）切换ON／OFF以达到升降压效果，立锜目前也只有用三颗大MOS达到升降压效果。

如何提升转换效率，也是各家电源省能方案的焦点之一。多数台湾相关厂商为避免尴尬电压的问题，则是采取电压到3.5V便切掉往更高的升压电流方式，以同样3.5V的规格避免尴尬电压。不过日本厂商的作法，则是同时升到5V再一起往下降压，但因为在效率上做两次转换，难免会受到影响。

客制化整合方向

立锜相关应用BCD制程的电源产品，将在2007年上旬问世；DC/DC产品部分将会优先应用BCD制程，且BCD制程较符合处理高负载电压的DC/DC产品，因此较不适用于处理低负载的LDO产品。张巍腾表示，未来立锜会以cost issue为主要考量，以此整合上游晶圆制造厂与下游封测厂的关系。立锜会与系统厂商合作设计韧体，本身FAE部门也会因应系统厂商多元的客制化需求，设计研发相关电源省能产品。

结论

属于类比IC的电源省能设计，着重Design-driven基础，强调设计整合能力与制程开发经验的稳定性，因此研发时程长，相对于政府部门对数位IC业界的关爱与丰沛资源的挹注，电源管理IC厂商反而便常在市场单打独斗，但也因此锻炼出厂商耐操耐磨的竞争能力。可携式产品的电源省能IP设计，整合线路图必须非常稳定，每个block过程都需经过IC大厂验证。因此人才、资金、研发时程的培养投入三方聚集成型，朝向整合跨领域因应客制化设计需求的蓝图架构，才能把电源省能设计推向成熟并具竞争优势的有利位置。此刻，该是政府部门开始深思如何协助电源管理IC厂商，开发具竞争力的电源省能设计方案、积极地提升类比IC产业的关键时候了。