電源晶片設計巧妙大不同　整合型/分離式各顯神通

目前手機電源晶片市場中，其核心主軸為基頻晶片，基頻晶片必須搭配一個大的電源管理單元(PMU)，此PMU的作用就是整合基頻晶片內的電源管理，目前許多公司都已發展基頻晶片整合PMU的方案，以支援手機基本功能的電源管理。PMU早期並非整合於基頻晶片，之後越來越多廠商發展基頻晶片整合PMU的主要原因，是因為基頻晶片外掛PMU時，占用的空間利於手機朝輕薄小發展，為了有效減少設計空間，廠商開始致力於發展基頻晶片整合PMU方案。  

基頻晶片整合PMU成為目前手機電源晶片的發展趨勢，其能夠滿足低階手機的基本使用功能，不過目前基頻晶片的PMU發展已趨於飽和，因此晶片商紛紛另覓市場，尋找PMU的發展空間。  

PMU高整合性與設計不占空間的特性，為目前電源管理晶片發展最大的優勢，就市面上2.5G、3G的智慧型手機、PDA手機為主的中高階手機而言，內部的多媒體設計、LED背光驅動、無線傳輸等功能，都須透過的應用處理器執行，成為晶片商發現的新興市場，紛紛致力於發展針對應用處理器設計的PMU。因此目前從基頻晶片的PMU，到針對應用處理器而設計的PMU，都呈現持續整合的現象，且整合方式也因個別公司、生產情形，在功能、設計而不同。  

高整合應用處理器PMU浮上檯面  

從基頻晶片與應用處理器兩者的PMU都朝整合的發展方向來看，德州儀器(TI)亞洲市場開發高效能類比產品資深市場行銷工程師何信龍表示，當手機的附加功能增多，電源管理晶片的出發點就必須以產品的定位去思考，技術面不能單就手機設計切入，因此當手機定位在低階，其基頻晶片的PMU幾乎已能掌握所有基本功能的電源管理效能；而手機若定位於主打LED設計或多媒體影像特性，通常要外加應用處理器，設計電源管理晶片時，就須針對應用處理器的內部功能進行電源設計，目前德州儀器在基頻晶片與應用處理器兩個面向，都有成熟的技術與發展策略。  

意法半導體(STMicro- eletronics)大中華區無線事業部高級硬體應用工程師蔡明材則指出，由於基頻晶片的PMU市場已經趨於成熟，加上高階手機具備一定的市場趨勢，因此針對高階手機而言，基於應用處理器的耗電考量必須發展專用、整合型的PMU，以降低應用處理器的耗電量。目前意法半導體在高階手機發展的電源管理晶片(圖1)中，都設計了USB OTG全速(Full Speed)功能，會進行USB OTG功能整合，除本身擁有此技術外，主要也是看好若手機能具備USB OTG功能，將不必透過電腦達到點對點資料傳輸，除方便使用者進行資料傳輸外，未來在應用市場的需求度也會相對提高。

資料來源：意法半導體 圖1　針對應用處理器之整合型PMU架構圖

意法半導體的發展目標是希望能生產出極具差異化功能的電源管理晶片，目前已著手進行整合音訊編解碼(Audio Codec)及USB OTG高速(High Speed)功能的整合型PMU。其發展整合音訊編解碼及USB OTG高速功能的主要目的，仍是因應未來高階手機對音訊的精緻度要求，和具備快速資料傳輸功能的市場動態。此外，手機相機模組不斷往高畫素邁進，預計明年手機市場的相機模組將有機會達到三百萬畫素，因應此趨勢也針對相機模組市場，發展出系列的電源管理晶片；只要任何強調便利性、生活化特性的功能，都有機會成為旗下電源管理晶片整合的功能之一。  

相較於德州儀器同時發展基頻晶片與應用處理器的電源管理晶片，意法半導體僅針對高階手機的應用處理器，發展出極具差異化的電源管理晶片，而美國國家半導體(NS)則是針對LED光源，發展了高整合度照明管理單元(Lighting Management Unit, LMU)。  

圖2　美國國家半導體亞太區電源管理產品市場總監黃漢基表示，針對LED發展的LMU能有效解決LED耗電速度快的問題。

美國國家半導體亞太區電源管理產品市場總監黃漢基(圖2)表示，將電源管理晶片與LMU分開的作法，主要是讓供電端，能夠更接近負載端，兼顧手機上所有LED光源的需求的電源管理。目前LMU已針對可視環境情況調整LED亮度模式，進行電源瞬間高低壓的管理。而LMU中除整合基本LED背光、閃光燈的電源外，目前還設計出搭配MP3音樂頻率執行LED閃光模式，讓LED在娛樂效果的光源使用上，也能達到最佳的電源管理功效。  

同樣是針對LED發展電源管理晶片，東瑞電子代理的理光(Richo)電源管理晶片中，也出現以LED為主的次PMU(Sub-PMU)方案，主要用於日、韓主打的折疊式手機上。東瑞電子技術行銷支援部主任呂紹暉表示，折疊式手機上板的面板內，從外部小螢幕、大螢幕到相機模組的閃光燈，都需要LED光源，次PMU方案就針對手機上板會用到的LED重要電源進行整合。除此之外，理光也發展強調客製化的應用型PMU，將基頻晶片PMU中無法供應的功能整合成電源管理晶片，與基頻晶片PMU進行市場區隔。  

客戶導向設計需求增溫  

針對應用處理器發展的整合型PMU，看似前途一片光明，但在發展上卻出現了一大缺失，主要在於整合型PMU的格式固定，只能針對固定手機型號進行設計，加上功能變化上彈性不佳，導致許多客戶要求的功能必須有所取捨。不過發展整合型PMU的晶片商也早已察覺到其彈性、功能性不佳的缺點，著手發展因應對策，其中德州儀器發展出類型化(Catalog)的整合型PMU，意法半導體則將整合型PMU往模組化發展。  

在功能搭配與變化彈性不佳的情況上，何信龍認為，設計高整合度又多功能的PMU，必須從市場需求的趨勢去定義產品規格，若單從客戶端進行，客戶要求的各種規格與需求不盡相同，若全部都進行PMU開發將是不符合經濟效益；因此，為了進一步提升PMU的使用彈性，目前開發的類型化整合型PMU，可針對某一特定廠商，或應用處理器平台進行設計，如三星(Samsung)的應用處理器平台中，以智慧型手機(Smart Phone)占有率極佳，其他如全球衛星定位系統(GPS)、個人多媒體播放器(PMP)、行動電視(Mobile TV)等可攜式裝置，也都占有不錯的比例。  

目前德州儀器在電源管理晶片發展上，最大的優勢為擁有自家的製程，因此能運用最新的製程，將同方案的晶片進行整合，其整合出來的PMU就能包括大部分的附加功能；此外，在內部的DC/DC部分，可以外接電容、電感進行濾波，透過晶片設計的參數將電容、電感的體積縮小。目前德州儀器的整合型電源管理晶片設計，都偏向中、高階手機為主，主要是低階手機搭配基頻晶片PMU，已具備足夠的功能性。  

相較於德州儀器發展類型化的整合型PMU，用以加強彈性不佳的問題，意法半導體則提出模組化概念，讓針對高階手機應用處理器發展的整合型PMU，也能達到客製化模式。  

意法半導體大中華區無線事業部高級硬體應用工程師林國志指出，目前該公司所量產的整合型PMU都已經模組化，能夠針對客戶需求在電源管理晶片設計上進行變更。模組化的作法為在設計電源管理晶片時，會盡可能將所有高階手機會使用到的功能整合在內，若客戶提出何項功能是不合適的，只須將其功能關閉保留其他功能，以滿足客戶在手機定位上的需求，這將是未來電源管理晶片朝客製化發展的趨勢之一。  

圖3　凌力爾特電源產品事業群產品行銷經理Tony Armstrong認為，PMU設計應以有效降低耗電為基礎考量。

相較許多廠商往高整合型的PMU市場發展，凌力爾特(Linear Technology)電源產品事業群產品行銷經理Tony Armstrong(圖3)認為，手機電池的續航力與壽命長短才是目前使用者最關心的問題，PMU主要是用於解決手機內部電源管理的問題，當電源供應來源增多時，如何避免效率轉換損失才是重要課題，因此發展PMU的主要目標，應該從如何為手機有效節電出發，不該只是在功能性上大作文章，而是以使用者角度出發進行功能取捨才是重點。  

分離式電源晶片主打彈性佳  

強調高整合的電源管理晶片不斷推陳出新，其變化彈性不佳與功能設計的限制，卻讓分離式電源晶片廠商把握彈性大、變化多的特性，在市場上維持一定的地位。台灣特瑞仕半導體(Torex)董事暨總經理渡邊丘(圖4)指出，雖然PMU的高整合特性，使分離式電源晶片廠商搭配元件的空間受限，但整合型PMU最大的缺點在於它就是一個專門為應用處理器設計電源管理晶片，在功能上一定得有所取捨，絕對無法將使用者需求或市面上所有手機的附加功能，全部整合在內。

圖4　台灣特瑞仕半導體董事暨總經理渡邊丘指出，MCM模式為目前電源管理晶片中達到客製化的最佳途徑。

呂紹暉也表示，雖然理光已發展應用型PMU與次PMU方案，不過都是針對手機基頻晶片中無法整合的特定功能進行，且兩種方案都已發展出客製化模式。此外，目前理光仍以低壓差穩壓器(LDO)為市場主打，最重要就是分離電源晶片的搭配彈性大，能根據不同客戶去滿足其要求。  

MCM模式達到客製標準  

而從分離式電源晶片商的角度來看，其分離式電源管理晶片的發展潛力，足夠與整合型PMU發展並駕齊驅；從特瑞仕半導體發展的多晶片封裝(MCM)模式可以了解分離式電源管理晶片同樣在市場上具一定潛力。  

渡邊丘表示目前特瑞仕雖然不是朝整合型的PMU發展，但MCM模式同樣可以稱為整合型電源管理晶片，MCM主要是利用分離式電源晶片，將其並排組合於一顆單晶片上，因此在彈性、功能變化性上，都是專為客戶量身訂做，為真正達到客製化標準的模式。由於每個客戶在電源管理的功能要求上有所不同，MCM最大的優勢就是可針對不同的客戶，進行不同的搭配模式，達到每位客戶的電源管理功能需求，避免晶片只能專為特定客戶所訂做的缺失。  

渡邊丘進一步解釋，若針對某產量大的手機廠商設計一個整合型的PMU，雖然在手機電源的功能整合與設計，比使用分離式電源晶片組合的風險要低，但基於每一支手機型號都有特定的主打功能，整合型晶片將只能專用於某一型號的手機中。若採用MCM模式設計的電源管理晶片，將能夠針對同一系列但只有些微差異功能的手機，進行電源管理設計與功能變更。  

畢竟每一個使用者所希望、需要的功能都不同，因此手機在設計時也須根據不同的使用者，去進行功能區隔化的設計，雖然整合型PMU是目前市場趨勢，但面臨使用者多變的心態，及不斷追求高品質、更多功能的前提下，使用MCM模式才能符合手機業者客製化的需求。  

而使用MCM模式的優勢可由兩方面探討，首先從電機特性角度切入，目前已發展出能抗雜訊干擾的方案，讓手機在穩定的電壓中運作，並達到低耗電的功效。另一方面，由於手機不斷朝輕薄小的趨勢前進，因此在封包的設計必須小型化，就目前一支強調多媒體功能的手機來說，除了要體積小、多功能外，還要避免各元件間的相互干擾等種種問題，要能夠克服上述問題，特瑞仕目前在MCM的分離式元件整合上，技術已非常成熟，能在最短時間內針對客戶需求進行設計。  

分離式電源晶片仍具市場優勢  

分離式電源晶片藉由MCM模式，從不被看好的電源管理晶片市場揚眉吐氣外，其他如LDO、DC/DC轉換器這些分離式電源晶片，目前同樣在強調整合型PMU的市場中，占據一席之地，除了同樣具備彈性大的特性，其價格、手機功能性與供應問題，都是維持分離式電源晶片市場競爭力的主因。  

呂紹暉表示，理光單顆LDO的出貨量仍維持一定的水準，主要是目前台灣手機的出貨中，低階手機市場仍占很大的比例，其低階手機的基頻晶片PMU整合功能有限，以一些低階手機也需要具備無線傳輸或少許的多媒體功能來看，絕不可能因此多加一個應用處理器，此時LDO就能發揮作用，能達到低階手機也欲擁有的少許多媒體、無線傳輸功能模式。  

對於整合型PMU遇瓶頸，部分業者紛紛提出類型化、模組化以解決整合型PMU彈性不佳的問題，而美國國家半導體除發展一系列的PMU外，也在分離式電源晶片市場中發展強調單一功能性與有效節電的分離式電源晶片。黃漢基表示，分離式電源管理晶片的主要特性，就是針對手機中的單一功能進行技術研發，以達最佳的省電效果，目前發展的MPL(Mobile Pixel Link)電源管理元件，主要針對影像顯示時，其畫素呈現造成的耗電進行管理，MPL能將影像從原本24位元傳送的RGB資料，轉換為較小的18位元的RGB資料進行傳送，因為影像訊號經過的路徑變寬，可呈現出高解析度的影像，並透過MPL同時達到省電效果。  

此外，美國國家半導體針對射頻部分，發展出具SuPA技術(圖5)的DC/DC轉換器。SuPA技術主要架構是當手機在通話時所接收的訊號，不論遠近都造成相同的耗電量，但SuPA能夠根據基地台的遠近，進行耗電量的轉換，因此當SuPA偵測到訊號離基地台較近時，便會透過具SuPA技術的DC/DC轉換器轉為低耗電模式，待手機離基地台遠時再轉為正常模式；只要手機內裝有SuPA技術的DC/DC轉換器，其射頻訊號與基地台的遠近，也成為可以節電的功效之一。

資料來源：美國國家半導體 圖5　SuPA技術意示圖

此外，從產品的生命週期角度觀察，為因應手機推陳出新的速度，分離式電源晶片仍有極大的發展空間；主要在於整合型PMU的研發時間長，且規格上只能針對特定功能與單一型號手機進行發展；而分離式電源管理晶片的研發時間短，加上在功能性的搭配彈性大，對於變化萬千的手機市場與強調多功能而言，是非常符合市場需求的。  

若從客戶端看供應商，呂紹暉指出，客戶一旦選擇使用整合型PMU，只能鎖定某一個晶片供應商，若今天供應商的設計方案出現瑕疵，或生產進度發生問題，將連帶影響到後續的作業程序；而分離式電源晶片在規格上都能達到相容，因此對客戶而言，客戶採用分離式電源晶片能夠和不同的晶片商合作，在功能性、設計方案可以有更多的選擇性，以避免單一晶片商可能造成的設計、生產等問題。  

整合型/分離式電源晶片同步並進  

電源晶片市場不論在整合型PMU或分離式晶片，都有各自的發展空間，從未來發展面來看，雖然整合型PMU是針對中、高階手機中的應用處理器，發展出的電源管理方案，且在設計上較不具彈性化，但就技術面來看，整合型PMU才擁有技術不斷創新的前景，從手機到iPhone、超級行動電腦(UMPC)等可攜式電子產品都往高階與多功能前進的趨勢下，應用處理器的需求升高，針對應用處理器而發展的整合型PMU相對需求變高，雖然目前整合型PMU在設計上缺乏彈性，但就市場趨勢與未來應用處理器的需求度而言，未來整合型PMU朝客製化前進將是一大趨勢。  

而分離式電源晶片市場，基於具有彈性大，能滿足各階手機在功能搭配上的變化度，及具備客製化的優勢，在電源晶片市場上也有穩定的發展性。目前分離式電源晶片商瞄準客製化市場，也積極在各項分離式電源晶片中，如LDO、DC/DC轉換器與LED驅動晶片上研發新產品，若未來整合型PMU也開始往客製化市場邁進，對分離式電源晶片商又將是一大挑戰，除了再次出現的客源競爭外，電源管理晶片的市場趨勢，也將呈現不小震盪。