手机电源管理IC发展概况.docx

手机电源管理IC发展概况李永健摘要随着多媒体手机和3G手机时代的来临，未来手机不仅单纯提供语音传输等基本需要 之外，甚至将整合音乐、电视、照相和游戏等各种功能成为个人休闲娱乐中心，除了这么多 功能的整合，将对手机的电源设计和管理产生极大的挑战之外，加上手机本身的显示屏幕尺 寸势必加大，亦将直接带来更大的电能消耗，因此除了改进电池本身以外，如何改善手机电 源管理IC功能，将成为提升手机功能最有效的方法之一。台湾主要手机电源管理IC厂商产品比重立亨奇比科技致新茂建崇贸蜜源管理IC 走口口项目PWM(ACJDC)88%PWM(DC/DC)35%68%3%泓LDO46%2%40咒40%MOSFET40%Switch20%Amplifier10%10%其他19%30%27%2%12%蜜源管理IC 瞧用域Mobile15%5%18%10%15%LCD3%SO%IS%37%NB53%10%10%MB/VGA39%55%26%DSC8%9%7%5%Storage29%Other17%6%7%Source:拓朴产业研究所，2006/12一. 快速成长的多媒体和3G手机市场在仰赖实时信息的现代，对于各种实时信息的取得，除了无线网络之外，手机可说是 最快且限制最少的方法之一，由于实时、轻巧且易于携带，使得手机的发展已并非单纯语音 讯息传递而已，随着3G时代的到来（图一），新一代的3G智能型手机已经把传统的2G手机 和多种其它功能结合在一起，包括照相、PDA、数字相机、MP3播放、数字电视以及GPS全 球定位系统，形成现在的行动通讯结合娱乐以及商务应用的需求整合于一身的个人化多媒体 中心，让全球多媒体手机每年以两位数的年成长率快速成长（图二），成为目前发展最快速的 电子产品之一。图一 3G手机渗透率预估100%80%60%40%20%0%200420052006®2007(F)2008(F)2009(F) Others1.14%1.413.80%4.27%4.6晚5.66%口於手檄渗透率(%)3.30%13.90%21.90®30.30®41.40® 2.5G手檄渗透率(与)7030%72.31%0弟£.26%56.4547.27 2G手檄渗透率(%)2738%17.93%14.35%10.57®8.15%5.67%Source:拓朴产业研究所，2006/12 图二 全球多媒体手机出货量预估Source:拓朴产业研究所；2006/12二. 多媒体和3G手机需求为手机电源管理IC带来新的挑战和需求(一)新挑战多媒体和3G手机对高画质视讯、多媒体串流、音讯播放、更清晰的显示及更多娱乐 等需求不断提升，对所有的数字处理组件或显示技术而言，其目标是尽可能地提升各部份功 能的品质，但这些功能却会大量消耗电源，其中绝大多数的电源电压并不相同，随着电流需求不断增加，使得它们需要更多电力，例如从2G语音电话升级到3G视讯电话后，对功率需 求便增加一倍（图三）。图三2G升级到3G电话功率需求增加的估计值功宰需求增加的估奸值似N）o；0.S0.70j605算03g0.12G ¥oi ft Phone3C Tidw Phoie口螫慕塞原口射娘Source： Planet Analog；拓朴产业研究所整理，2006/12图四 多媒体和3G手机为电源管理IC带来新的挑战由于不同的多媒体手机零件有着不同的电源需求，过去电源管理芯片的设计较为单 纯，其整体功率消耗也不相同，但随着科技的进步，在同一支手机中，必须融入更多元化的 功能，其功率消耗也会随之增加，这是未来电源管理芯片发展的明确趋势（图四）。GAMESource：拓朴产业研究所；2006/12随着功耗的增加，不论效率与设计的精简度，或是成本上，都会面临相当大的挑战， 未来的电源管理芯片会越来越聪明，价格也将成为主要考量因素之一，而电池使用的时间、 电源管理的效率、以及如何制造更小尺寸的解决方案，都将是未来电源管理IC新的挑战。（二）新需求由于2G手机大量采用LDO来为手机各个部件进行供电，LDO虽然具有成本低、封装小、 外围器件少和噪音小的特点，但LDO转换效率低，且只能用于降压的场合，加上LDO效率取 决于输出/输入电压之比，在输入电压为3.6V、输出电压为1.5V的情况下，效率只有41.7%， 这样低的效率在输出电流较大时，不仅会浪费很多电能，而且会造成芯片发热影响系统稳定 性。而3G手机各个部件需要多个电压等级的供电，在很多情况下，尤其是压差大的情况下， LDO已经难以满足供电需求，因此DC/DC的解决方法成为一种取代LDO的解决方案。DC/DC转换的优势是升、降压均适用，效率又高，目前已经有自动PFM/PWM方式和 DC/DC+LDO双模式的电源管理解决方案，虽然无论哪种方案成本都将高于LDO，但的确能够 解决LDO低效和只能用于降压的问题，未来3G手机产量的提高和手机电源管理功能的提升， 将在一定程度上刺激手机电源管理IC市场的发展。三. 手机电源管理IC的发展方向所谓电源管理IC主要的功能是在各项系统产品中，因外围组件在操作电压上各有其 不同的范围，为求控制系统中电压及电流变化的状况以发挥系统的功能，便需要电源管理 IC将不同的状态、效率(如高速、低速、休眠等)能精确的控制及表现。手机电源管IC发展 上未来将呈现两极化发展，虽然手机电源管理单元方面，PMU(Power Maganement Unit)电源 管理单元可以将多个的DC/DC转换器(通常是2至3个)、数个LDO(通常是6至14个)、充 电以及保护电路、电量检测集成在一起的IC，达到简化设计，减小组件所占PCB板面积目 的，但是并非所有电源管理组件都适合整合到PMU里面，藉由手机电源管理单元与手机功能 模块之间连接方块图(图五)，分析得知手机里面各个功能模块都需要不同的电源管理组件配 合，例如射频单元的压控振荡器(VCO)以及锁相回路(PLL)就需要极低噪声和很高电源拒斥比 的电源，确保它们提供最高的传送和接收效能，因此虽然线性稳压器的效率不高，但由于它 没有输出涟波，所以是这类电源供应的最佳选择；同样重要的是将直流转换器的开关频率， 还有它们的二阶和三阶谐波，都保持在中频频带之外。由于DSP和中央处理器的核心电压已 降至1V左右，以电感为基础的高效率交换式降压转换器是它们的理想选择，至于屏幕背光 照明所使用的白光二极管，其电源可来自电荷泵浦或电感式升压/降压转换器，可见并非所 有电源管理组件都适合整合到PMU里面。图五 手机电源管理单元与手机功能模块之间连接AudioBasebandCHColor UODu33VV 115DSCirme Sensor7.5 V(CCW2.5 VDSCMotors.-33MVibratorMotorLEDsj8V I rAPLLandVCOClIUW-LEDRF Upand Dowi825V2.8 VSource： TI；拓朴产业研究所整理，2006/12(一)手机电源管理IC将走向整合型组件(PMU)在手机电源管理芯片领域中，业者通常将单芯片称为PMU，而非SoC(System on Chip)， 也就是将所有的电源方块整合在一起，这与SoC的基本概念相同；在手机电源管理单元方面，PMU是将多个的DC/DC转换器（通常是2至3个）、数个LDO（通常是6至14个）、充电以及保 护电路、电量检测集成在一起的IC,而PMU无疑将成为未来电源管理芯片的趋势，尤其是 在可携式产品的电源管理方面更是如此。可携式产品的PMU有两大设计重点：效率高，体积 小，这也将成为电源管理芯片设计上的最大挑战。从IC部分来看，PMU的设计除了电源转 换，另外也要涵盖系统管理的部分，若更进一步，则需整合其它非电源的部分，这对大部分 厂商而言需要较长的学习曲线，一般电源管理在进行整合时，通常会衍生应用上失去弹性的 问题，必须以其它方式解决；例如可透过软件的方式来管理电源芯片，使电源管理芯片在高 整合度下，仍然保有相当大的设计弹性。任何手机半导体平台厂商都有电源管理单元产品的技术和产品，Qualcomm、TI、 Infineon、Freescale、NXP、ADI、联发科、Agere等都有电源管理单元产品，有些厂商将 电源管理集成到仿真基频里，或者将音频放大等简单功能集成在电源管理单元里。而PMU 的市场也被这些手机平台大厂完全掌控，手机平台大厂也靠此增强平台整体的竞争力，持续 压缩低阶分离组件竞争空间，由于PMU平台具有体积小且可针对特定产品进行客制化设计， 虽然过去电源管理IC在降低噪声与节省电耗上难以取得平衡点，但目前有一些国际大厂所 开发PMU平台便透过实时软件控制机制（real-time software controlled mechanism）的方 式来管理电源IC芯片，让产品抗噪声能力强且耗电量低，进而解决过去电源管理IC产品之 不完整性、提供设计厂商更好的选择、以减少组件数量与产品体积，并加速产品上市时程等， 都是PMU电源管理IC产品在市场竞争中之利器，例如TI便采用独特数字射频处理技术（DRP） 所开发单芯片组件LoCosto（图六）便是透过实时软件控制机制（real-time software controlled mechanism）的方式持续调整手机的供电电压，将功耗降至最低同时延长电池寿 命。图六 TI为超低价手机所开发出手机单芯片LoCostoChip mlegrating baaeiband circuit, RF uiraj* SRAM, etcSource： TI，拓朴产业研究所整理；2006/11（二）功能型手机带动分离式组件需求手机都是平台开发模式，设计者不会选择独立的电源管理单元，而手机里分离式的电 源管理IC主要是DC/DC转换IC和LDO，DC/DC变换主要是给基频部分供电，LDO主要是给 射频部分供电，两者都有集中到PMU之中的趋势；不过有一种LDO，它主要负责为白光LED 供电，因此特别称之为白光LED驱动IC，基本上是都是采用分离型的设计，虽然白光LED 驱动IC领域有近百个厂商，但是每个手机的屏幕大小、屏幕分辨率、所用LED数量、是否 有闪光灯、是否用装饰用LED、装饰LED的数量、是否有次屏幕、次屏幕大小，是否是OLED 等，这些不可能全部相同，因此也就没有通用型的白光LED驱动IC，配合厂商开发集成型 白光LED驱动IC，同时加上台湾公司的成本优势，市场还是相当乐观的，手机的闪光灯白光LED驱动IC则需要考虑闪光灯白光LED的类型和特性，也是相对个性化的需求，所以分 离式组件市场空间仍然存在。四. 台湾手机电源管理IC厂商发展现况模拟IC的设计方式与逻辑IC完全不同，而台湾过去主要以发展逻辑IC为主，使得 模拟IC人才上培育较为不足，但在多年来的深耕后，在全球模拟IC市场呈现稳定成长，且 产业又具少量多样的特色下，使得领导厂商的市占率亦不大，给予台系厂商十分有利的竞争 机会，其中电源管理IC是台湾厂商最主要的切入领域，虽然初期锁定几乎以主机板及VGA 卡为主，但近年来已经有部分厂商开始朝向手机模拟IC及电源管理IC领域切入，其中包括 面板驱动IC、LDO、白光背光源LED驱动IC、充电装置或是CMOS Sensor等（图七），处处可 见台湾厂商的努力发展踪影，而主要台湾厂商有立锜、模拟科技、致新、茂达和崇贸等（表 一）。Backlight I FlashWhite LED Drivers 旧 Qeucriargp urnplRF VCQfBT/USB Lw No-iss LOOD usl Dt&phy (TFTHFT)awst White LE D DriverDual Display (TFTfrOLED) Boost White LE D DriverLi-Igh B-attery Charger IC图七 台厂切入手机相关模拟IC示意图CMOS Camera Sens-or py 用 DuglLD0Source:公司资料；拓朴产业研究所整理，2006/12各厂商各自朝专业方向，将应用范围不断扩大，在技术上电源管理IC的主要技术就 区分为线性稳压（LDO IC）、脉冲宽度调变电源管理IC（PWM）、功率金氧半晶体管（Power MOSFET）等，这三项为目前台湾电源管理IC公司发展的主力，此外，包括Battery charging. Voltage supervisors等产品近几年来快速成长，主要的原因是现今手持式电子装置对于省 电与用电的要求更为严苛，带动电源管理IC的需求。表一台湾主要手机电源管理IC厂商产品比重立筠比科技致新茂建崇贸奄源管理IC 座口口项目P(xC.iDC)88%p(DC.iDC：i35%3%3%LDO46%2%<1%<1%MOSFET<1%Switch20%Amplifier10%10%其他19%30%2%12%奄源管理IC 瞧用镇域Mobile15%5%13%10%15%LCD3%18%37%NB53%10%10%MBjVGA39%泌DSCg%9%7%5%Storage29%Other17%6%7%Source:拓朴产业研究所，2006/12在LDO方面，其为最基本的电源IC，主要用途为分压，而虽然其具备低输出入电压低 消耗功率的优点，但也存在仅能提供降压低电流使用的缺点，而PWM方面，其适合高度处理 器与手持装置，且PWM设计难度高于LDO，主要用途为周期调变，PWM的优缺点分别为提供 升压与降压高电流、设计复杂；至于Power MOSFET方面，其为高功率驱动的分布式组件， 多应用于马达、电源开关、音讯放大。电源管理IC的特色在于产品多样，虽然同一产品但规格不同，可有不同编号及样式， 因此电源管理IC公司产品至少在数百种以上，在各别技术产品占营收的比重方面，立锜以 LDO及PWM为主，模拟科技以PWM为主，而致新与茂达的技术涵盖LDO、PWM、Power MOSFET， 不过致新则以LDO为营运重心，但茂达较着重Power MOSFET的部分，至于崇贸则较专注于 单一技术经营，切入AC/DC电源IC市场，与台湾大多数以DC/DC发展的方向完全不同。展望未来，手机通讯市场的扩大及多媒体影音需求的加速进展，无论是手机的电源管 理IC，或是无线通讯的RF模拟IC等，需求将会持续提升，不单是手机本身应用，相对应 的充电式装置也将同步大幅成长，未来将提供台湾厂商相当大商机。五. TRI观点在一般的手机产品应用中，屏幕显示、射频讯号收发等是产生功耗最多的应用，但其 余的所有动作如音讯播放、由睡眠状态激活，甚至在待机时都会消耗功率，更何况未来多媒 体和3G手机势必加入更多的功能，对功率消耗将会随之增加，如何透过选择适当的电源组 件、驱动架构，以及采用更新的技术，使得手机大幅延长待机与操作时间。因此，未来手机 电源管理IC将朝向整合一途，至于如何整合拓朴产业研究所(TRI)认为大致可以朝两个方向 来作整合：第一是整合前端的PFC IC及后端的PWM IC，形成Combo的架构；另一种方式为 整合PWM相关的组件，包括DC-DC Converter. MOSFET drivers.及一些控制IC等，整合 成单芯片，以减少客户在选择组件的困扰，并且达到Cost down的目标。未来多媒体和3G手机将日渐普及，由于未来手机外型讲求轻薄短小，并能将多媒体 功能整合于一身的产品特性，使的手机电源管理顿时成为手机业者最重要严峻的挑战，于是 国际厂商纷纷投入具有高转换效率且体积小的单芯片PMU(Power Management Unit)开发， 但是单芯片PMU(Power Management Unit)的设计除了电源转换之外，也需涵盖系统管理的 部分，甚至更进一步，则需整合其它非电源的部分，加上客制化产品的弹性越来越大，其外 围需求将随之着减少，这一切将使的未来手机电源管理IC市场的进入门槛愈来愈高。(TRI_ 半导体光电研究中心研究员：李永健)