未來行動裝置的最佳化電力傳送

Dialog市場行銷總監Mark Jacob

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策略性的聚焦於台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平台，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。

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睡眠模式與週邊節能另外會多採用一組Sub PMIC，用來整合電源監控、變壓控制與監控功能，提供CPU像是恆開機？連網(always on/connected)工作模式。以Dialog開發的Merit System PMIC，具備每平方釐米1W與每立方厘米1A的能量密度。

他列出一張12吋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，光電源控制晶片就佔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，增加像是恆開機感測(Always-on sensing)等使用型態，新的USB-C、無線充電等充電標準，以及不同的電池併？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週邊，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、遊戲機、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列舉市場上採用2個電池串連(2S)或並聯(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，若採雙電池串連設計，電池要用7.2A，同時電池串還要加10V前置穩壓元件(Pre-regulation)以確保對後端PMIC、System PMIC的穩定供電。

電池充電電流越大，經過數百次充、放電週期後，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次充電週期後，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變壓元件後，輸入端會有壓降現象，同時需搭配高充電電壓的電池，使得長期充放電後電池壽命縮減較快；後者需使用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前置穩壓元件後面，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介紹於6月COMPUTEX 2015正式發表的DA9312電源管理晶片。採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，可處於超級監控模式、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？供電設計以及改採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個並佔PCB面積240mm²；改採DA9312設計後，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平方英吋PCB可設計出525W直流電輸出迴路，能量密度每平方英吋達128W；DA9312可在0.18平方英吋PCB空間，輸出90W直流電輸出，折合能量密度達每平方英吋504W。

Mark Jacob最後總結，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，是採雙電池供？充電設計行動裝置，最佳電源解決方案的選擇。