增添行動/穿戴裝置電力來源　超薄電池/快充技術翻紅

超薄/大面積鋰電池發展後勢看俏。看準蘋果(Apple)下一代iPhone 6手機將朝向更大尺寸、更輕薄的外型設計發展，包括三星SDI(Samsung SDI)、樂金化學(LG Chemical)、Panasonic和TDK-ATL等日韓鋰電池芯/模組供應大廠，皆傾力開發厚度僅約2毫米(mm)，面積尺寸更大的新型軟包裝鋰電池，並於近期開始送樣，搶沾蘋果光。

除了改良鋰電池設計外，系統廠也寄望導入快速充電(Fast Charging)功能，為手機電力開源再添良方，吸引晶片商爭相展開研發。其中，處理器大廠高通(Qualcomm)、聯發科，已分別攜手電源管理晶片(PMIC)商推出Quick Charge 2.0和Pump Express快充方案；而德州儀器(TI)則計畫於2015年初發表自有快充通訊協定--MaxCharge，期挾更高設計彈性及鋰電池控制效能，搶攻快充應用商機。

搶進iPhone 6供應鏈　日韓搶推超薄大電池

圖1　工研院IEK資深產業分析師呂學隆認為，在手機輕薄設計趨勢帶動下，超薄、大面積鋰電池技術將日漸走紅。

工研院IEK資深產業分析師呂學隆(圖1)表示，繼三星、索尼(Sony)、宏達電和中國大陸一線手機品牌廠之後，蘋果也可望投入發展大螢幕、超輕薄平板手機(Phablet)，因而驅使日系、韓系與中國大陸鋰電池供應商加緊研發兼具高能量密度、高容量且厚度更薄的下世代鋰電池(圖2)，開啟全新的技術戰局。

據悉，蘋果最新平板裝置和智慧型手機基於薄型設計考量，皆已採用厚度3毫米以下的內嵌式(使用者無法自行更換)軟包裝電池，而其即將於今年9月發表的下一代產品--iPhone 6，可望再縮減厚度並搭載5吋以上螢幕，因此也開出厚度約2毫米且容量更高的超薄/大面積鋰電池規格要求。

不過，呂學隆強調，鋰電池變薄也意味著蓄電空間將大減，而目前5吋以上平板手機採用的2,800∼3,200mAh鋰電池，厚度大多要高於3毫米才能達到所需容量。換言之，在鋰電池正負極材料的能量密度尚未有顯著突破之際，電池廠要開發僅2毫米高度的解決方案，勢必要從延展電池長寬面積的方向著手，包括SDI、樂金化學、Panasonic和TDK-ATL等日韓鋰電池大廠皆已啟動相關設計案，並於近期陸續送樣測試。

圖2　增加鋰電池容量的主要技術途徑

呂學隆分析，愈薄、面積愈大的鋰電池，因內部設計架構兩點之間的距離拉遠，材料變異性將更難掌控，進而影響生產良率、成本，以及產品對溫度、壓力的耐受能力；因此，可發現日韓電池大廠近來均積極布局相關材料、隔離層和軟包裝技術專利，甚至朝可撓式架構發展，以推進超薄、大面積鋰電池商用量產的腳步。

呂學隆更透露，儘管2毫米厚度已逼近鋰電池設計的物理極限，但韓系電池供應業者已將產品藍圖延伸至1.x毫米的解決方案，將導入新型態的鎳錳二元系等正極材料、加入矽合金的碳負極材料，以提升電池能量密度和容量；同時將透過擴大電壓操作區間的電池驅動技術，延長放電時間，進而讓電池厚度可再微縮0.x毫米，協助行動裝置品牌廠實現極致輕薄設計。

為增加鋰電池放置彈性，廠商更開始研究可撓式鋰電池架構，將牽動電池材料製程、電池芯堆疊、電解質、電路板，以及電池模組架構等一連串技術轉變。

軟板/固態電解質助攻　可撓式超薄鋰電池露鋒芒

圖3　輝能科技行銷部副理許容禎強調，電池技術係推動穿戴式裝置商用發展的關鍵。

輝能科技行銷部副理許容禎(圖3)表示，手機螢幕尺寸與日俱增，但厚度卻日益縮減，對鋰電池廠商而言，犧牲產品Z軸高度就須透過增加面積來維持或提高電容量，甚至須實現可撓式架構，以提高體積利用率，讓鋰電池厚度持續下降、電容量顯著增加。

許容禎強調，未來智慧手表、智慧眼鏡等穿戴式電子裝置，由於系統設計空間吃緊，且缺乏鋰電池擺放位置的彈性，因此對可撓式電池的需求將更加強勁。雖然可撓式電池供應鏈目前尚不成熟，但已有智慧手表製造商開始導入設計，將利用表帶空間配置為次要電池，進而搭配手表主體內建鋰電池，延長裝置續航力。

看準可撓式鋰電池需求，許容禎也透露，輝能已利用獨家固態陶瓷電解質、軟性電路板基材、特殊負極材料和捲對捲製程(Roll to Roll)技術，開發一款兼具可彎曲、高可靠度，且能量密度表現出色的鋰電池(圖4)，並於近期正式量產。由於該產品採用固態陶瓷電解質，相較於傳統的液態電解質方案，可確保鋰電池在重覆撓曲使用的情況下，不會發生正負極互相接觸而導致短路的安全問題，加速進駐穿戴式裝置應用。

圖4　可撓式電池架構圖

顯而易見，為延長行動裝置、穿戴式電子產品續航力，鋰電池廠商正絞盡腦汁研發新材料和架構，至於晶片業者則走向另一條技術發展路線，期透過快充方案，讓手機或平板快速恢復可用電力。

晶片商爭相布局　行動快充設計勢起

目前業界對手機和平板快充的定義分別為功率提升至15瓦(W)、20瓦以上，可在30分鐘充滿80%電池容量，並於1.5小時內完全充飽，已有眾多處理器和電源管理晶片商(PMIC)陸續投入研發，以掌握市場發展先機。

德州儀器電池管理解決方案(BMS)中國大陸業務經理文司華(圖5)表示，行動裝置功能日益豐富，導致耗電量加劇，因此高階手機、平板正分別朝搭載4,000毫安時(mAh)和6,000mAh以上的大容量鋰電池設計邁進；此也連帶刺激行動裝置快充功能研發需求。 其中，高通、聯發科兩大處理器業者已與PMIC供應商--戴樂格(Dialog)合作，分別於近期推出Quick Charge 2.0和Pump Express快充方案，占得市場先機。

圖5　德州儀器電池管理解決方案中國大陸業務經理文司華提到，手機廠愈來愈注重電源管理功能，可望帶動鋰電池充電晶片需求大增。

不過，文司華分析，這兩種快充技術皆須搭配相應處理器和PMIC，將影響系統設計彈性。此外，快充須耐受9伏特(V)/12V電壓，以及4.5安培(A)左右的大電流，若手機僅採用內建簡易鋰電池充電控制功能的PMIC，勢將為電池壽命和充放電安全性埋下不少隱憂。

因此，德州儀器研擬出自有快充通訊協定--MaxCharge，並將導入其鋰電池充電晶片，讓系統廠能以分離式設計導入手機或平板，提高耐電壓、耐電流和動態功率控制能力。

文司華強調，基於分離式架構及該公司的快充協定，快充充電晶片與充電器之間的交握(Handshaking)將毋須透過處理器，可增進系統配置靈活度；同時，獨立的快充充電晶片亦有更多空間增添路徑管理(PowerPath)、過電壓/過電流/過溫度保護與電量監控計等功能區塊，並能加入各種演算法建立充電模型，以動態調配輸出功率，確保電池使用壽命和安全性。

現階段，國際手機品牌廠和中國大陸一線OEM皆對新型分離式設計感興趣，期透過該方案降低快充對鋰電池造成的影響，並減輕處理器廠對手機和充電器系統零組件的牽制力，因此正陸續與德州儀器洽談合作，可望於明年採用獨立型快充充電晶片和MaxCharge通訊協定，推出搭載快充功能的旗艦級平板手機。

文司華認為，現行快充解決方案須仰賴應用處理器、PMIC，以及充電器端交流對直流(AC-DC)晶片之間的相互溝通才能實現，設計上缺乏彈性。隨著德州儀器MaxCharge獨立型快充充電晶片於明年問世，行動快充設計將顯著提高安全性、彈性，並打破特定處理器限制，進而刺激品牌業者導入意願，加速滲透至中低價機種。

搶搭快充設計熱潮　USB-PD蓄勢待發

圖6　羅姆半導體台灣設計中心技術部副所長林志昇指出，USB-PD產品將在2015～2016年大量上市。

除了處理器或PMIC廠的獨家快充標準外，近期以通用序列匯流排-電力傳輸(USB-PD)標準為基礎的快充方案也快步崛起，包括羅姆(ROHM)半導體、微芯(Microchip)皆已推出相關產品。

羅姆半導體台灣設計中心技術部副所長林志昇(圖6)表示，USB-PD為USB-IF發布的最新USB裝置充電規範(圖7)，可支援高達100W充電功率，進而實現行動裝置快速充電功能，並滿足筆電、顯示器和擴充基座(Docking)等設備的高功率充電需求。

下一階段，USB-IF更計畫結合USB-PD和更輕薄的Type-C連接器規格，協助系統廠克服穿戴式電子導入USB充電方案的桎梏。

圖7　USB-PD通訊架構

林志昇認為，USB-PD可望先在擴充基座應用領域崛起，為筆電、平板或手機提供快速充電功能，以及周邊裝置連結能力；至於USB-PD在行動裝置、穿戴式電子的應用則須配合Type-C連接器的發展腳步，逐步擴大滲透率。

近期，羅姆已攜手創惟科技，搶先發表一套USB-PD擴充基座參考設計，而瑞薩電子(Renesas Electronics)也與達爾科技(Diodes)合作，在今年台北國際電腦展(Computex)展出各種USB-PD充電方案，足見該技術正如火如荼的推展。

迎合快充發展需求　二極體封裝/散熱技術掀革

圖8　智威科技總經理鍾宇鵬表示，快充技術將二極體技術製程與封裝技術革新。

不過，行動快充技術除須仰賴新的通訊協定外，還須搭配性能更優異的功率半導體，因而驅動二極體開發商加緊研發新製程和封裝技術。

智威科技總經理鍾宇鵬(圖8)表示，快充手機充電器須承受5V3A以上功率，將使內部二極體表面溫度升高、漏電流情形加劇，導致電源開關效率下滑，因此二極體須改搭多層堆疊(Multi-Layer)製程(圖9)，以及金屬成分更高的封裝技術，從而兼顧小體積和優異的導通、散熱效率，推進快充設計發展。

因應上述需求，鍾宇鵬透露，智威已發表專利全切面玻璃護封半導體二極體晶片(GPRC)，可提高元件承載高溫、高壓及大電流的能力，並維持較佳的電性狀態，從而減少晶片漏電流和功耗；同時，該公司也發展出片型二極體(SCD)封裝技術，可將封裝結構中的銅比例拉高至70%，增加導熱效果，相較於業界銅比例低於50%的封裝方案，可將二極體的表面溫度降低5∼10℃。

圖9　Multi-Layer二極體製程示意圖

蓄電量/充電速度日增　鋰電池安全測試更嚴謹

圖10　UL台灣資深專案工程師施柏屹提到，UL已取得高通認證，成為首家Quick Charge 2.0快充方案測試實驗室。

值得注意的是，鋰電池廠持續朝高容量、超薄設計發展，加上須支援更高功率的快充方案，伴隨而來的則是安全性和可靠度下降的風險。

UL台灣資深專案工程師施柏屹(圖10)表示，因應電池和充電技術轉變，各國政府正加緊修訂鋰電池安全標準及認證規範，將以更嚴格的電氣測試、熱失效、耐溫度和耐衝擊等要求，以確保內建鋰電池的電子裝置使用安全。

其中，美國無線通訊協會(CTIA)已開始研擬新的鋰電池安全認證標準，將涵蓋電池芯、電池模組到相關充電器的測試規定，以確保行動裝置，以及更貼近使用的穿戴式電子產品內建鋰電池的安全性。

施柏屹透露，UL也將於今年底前發布一套鋰電池安全規範--UL 2054，提供完整的電氣因素(過溫度、過電壓、過電流)、內短路和零件失效等測試方案和參考參數，藉以幫助模組廠和系統開發商通過各國消費性電子安全認證組織的認證，讓產品取得該區域市場的銷售資格。

綜上所述，行動裝置和穿戴式電子已掀動一連串的電池、充電技術革命，可望為鋰電池供應商和半導體業者引來新的發展契機，延續行動科技的創新動能。