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未來移動設備的最佳化電力傳送

2015-06-23

  德商Dialog是一家無晶圓廠(Fabless)的混合訊號半導體IC設計公司,在德國法蘭克福上市,市值36億美元,2014年營收達11.56億美元;提供高整合電源管理晶片(PMIC),AC/DC變壓晶片、超低功耗音效晶片、低功耗藍牙晶片、多點觸控IC與LED驅動等。

  聚焦大中華地區電源管理市場

  Dialog市場行銷總監Mark Jacob指出,Dialog策略性的聚焦于臺灣與大陸等大中華消費性電子市場,合作對象除了與OEM廠有直接銷售通道外,與聯發科(MediaTek)的PMIC平臺,以及入股建興(Lite-On)的合作夥伴——專注感測器的敦宏科技(Dyna-Image);最近合作的案例則有聯想(lenovo)的VIBEx2、魅族(Meizu) MX4、HTC One M9等智慧手機,與Xiaomi小米手環等。

  Dialog市場行銷總監Mark Jacob

  Mark Jacob指出,從各種待機不到1毫瓦(1mW)、一星期才充電一次的穿戴裝置,到多核心設計、全天候運算且尖峰負載超越100W的伺服器/桌機/筆電,均需要高轉換效率、低功耗的電源管理技術。

  市場驅動低功耗節能技術與解決方案

  近代CPU供電電路設計上,除了會有一組標準PMIC(電源管理晶片)外,還會針對CPU睡眠模式與周邊節能另外會多采用一組Sub PMIC,用來整合電源監控、變壓控制與監控功能,提供CPU像是恒開機/連網(always on/connected)工作模式。以Dialog開發的Merit System PMIC,具備每平方厘米1W與每立方厘米1A的能量密度。

  他列出一張12寸Retina MacBook筆電的拆解照片,其中PCB僅不到下蓋面積的1/10,而這樣小巧的PCB板中,光電源控制晶片就占40%;新型態消費性產品如穿戴式裝置、混合產品,感測器、攝影機、GPS、音效晶片,增加像是恒開機感測(Always-on sensing)等使用型態,新的USB-C、無線充電等充電標準,以及不同的電池并/串聯設計,由以上的應用情境與更多的設計排列組合,由此看出PMIC整合多元化零組件與周邊,又要兼顧低耗設計要求下,扮演著越來越吃重的角色。

  通常電池串的配置會依行動裝置的功耗與外觀尺寸而有所不同,像穿戴裝置、游戲機、智慧手機使用單一電池,而平板、平板手機則用到1~2個電池串,掀蓋設計(Clamshell)平板、Ultrabook則使用2~3個電池串,高效能筆電則不排除用到4個電池串。不過從左下穿戴式裝置到右上高效能筆電的每個市場位階產品,都面臨輕薄短小、螢幕尺寸要變大、供電時間要長的極端要求。

  Mark Jacob列舉市場上采用2個電池串連(2S)或并聯(2P)設計變形平板,如戴爾(Dell) Venue 11 Pro 7140(電池為7.4V/5Ah/37Wh),鍵盤底座還另有內置電池的設計。假設一組PMIC提供SoC內的CPU、GPU,一組System PMIC提供DDR記憶體、USB、PCIe/Camera、Ios、LV Logic各自連接System PMIC的D/C變壓,全部需要14.4A,若設計成單電池串,電池要用14.4A,若采雙電池串連設計,電池要用7.2A,同時電池串還要加10V前置穩壓元件(Pre-regulation)以確保對后端PMIC、System PMIC的穩定供電。

  電池充電電流越大,經過數百次充、放電周期后,會出現可儲電容量越下滑現象。他列舉一個分別以2A、10A、15A、20A充電電流測試圖表,電池經過500次充電周期后,20A可儲存容量下滑到原本容量的70%,2A則可維持95%。

  單電池串與雙電池串充/供電設計各有其缺點,前者接5V變壓元件后,輸入端會有壓降現象,同時需搭配高充電電壓的電池,使得長期充放電后電池壽命縮減較快;后者需使用10V高伏特變壓元件,轉換效率較低且增加成本。

  Mark Jacob提出針對雙電池串的充/供電線路的改良設計,將10V前置穩壓元件后面,再串一個轉換效率達86%的5V變壓元件,此時電池充電電流從原本2.45A降為2.25A,整體轉換效率從77%提高到84%,同時能耗減少1.5W。

  針對手機/平板的低功耗、高效能PMIC

  Mark Jacob介紹于6月COMPUTEX 2015正式發表的DA9312電源管理晶片。采72pin WLCSP封裝,僅6.3 mm x 2.8mm,提供最大90W負載,裝置尖峰能量密度達5W/mm2;針對雙鋰電池串充電電路所設計,內建1.5MHz交換式壓降式穩壓元件(Bulk Converter),實測從2mA、10mA、20mA、0.1A、1A、2A、5A、10A各種工作電流的轉換效率,分別是89%、96.3%、97.1%、97.9%、98.4%、98.3%、97.1%、94.3%,整體平均轉換效率達98.5%,且前端無須外加FET或DrMOS元件,用4顆0603電容搭配,省去大顆附加電感的空間;可程式化的GP I/O控制介面,可處于超級監控模式、自主模式或從控(slave)模式運作。

  Mark Jacob列舉一個行動運算裝置,原始充/供電設計以及改采DA9312電源晶片的BOM表比較。原先使用分離式TI電源元件,需3顆IC、15顆電容、3組線圈(Coils)、18顆被動元件、全部元件數39個并占PCB面積240mm2;改采DA9312設計后,降為僅1顆IC、9顆電容、10顆被動元件、總元件數22個,總PCB面積降為115mm2。

  跟VICOR HD Brick大功率直流變壓元件相比,其元件尺寸57 mm x 46mm x 16 mm,在4.1平方英寸PCB可設計出525W直流電輸出回路,能量密度每平方英寸達128W;DA9312可在0.18平方英寸PCB空間,輸出90W直流電輸出,折合能量密度達每平方英寸504W。

  Mark Jacob最后總結,高整合型的PMIC可因應產品輕薄短小趨勢下的供/充電設計的需要。Dialog DA9312較競爭對手分離式方案提供兩倍以上的能量密度,以及98%的轉換效率,是采雙電池供/充電設計行動裝置,最佳電源解決方案的選擇。


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