行動裝置系統耗電量可望顯著下降。處理器、電源管理晶片（PMIC）與感測器業者正分頭布局行動裝置應用處理器和螢幕省電方案，包括新一代CPU/GPU 協同運算和big.LITTLE大小核設計架構、面板自動刷新、高整合度PMIC，以及主動調節背光源（PRISM）等節能技術，皆是相關業者今年的產品發展重點。

　　晶片大廠競相出招　手機AP/顯示器功耗大減

　　拓墣產業研究所半導體中心研究員許漢州（圖1）表示，手機螢幕和應用處理器功耗各占約30？60%系統耗電量，因此要延長續航力勢必從這兩方面著手。在處理器部分，高通（Qualcomm）、叁星（Samsung）、聯發科及安謀國際（ARM）正致力革新晶片設計，除共同推動中央處理器（CPU）、繪圖處理器（GPU）協同運算的異質系統架構（HSA）標準，減輕CPU負擔與耗電外，亦相繼推出高效能CPU核心搭配低功耗核心的big.LITTLE方案，更進一步減少處理器漏電流與動態功耗。

　　隨著處理器規格轉變，PMIC業者亦緊鑼密鼓研發新一代電源管理技術，除因應big.LITTLE大小核心切換需求，推升PMIC的電壓、電流動態調整速度外，也將發展大電流輸出方案，以滿足HSA處理器同時驅動CPU、GPU等異質核心的供電需求。

　　至于螢幕節能方面，許漢州指出，輝達（NVIDIA）已在最新行動處理器平臺中導入第二代PRISM技術；該方案透過多核心GPU加高階影像演算法，將畫面切割成不同區塊并偵測明暗變化，由處理器動態調整LED背光源亮度，進而省下40%顯示器功耗。

　　許漢州透露，一線處理器大廠亦計畫在下一代產品中，導入eDP 1.3版的PSR功能，讓GPU在螢幕畫面靜止時休眠，直接由顯示面板的時序控制器（TCON）執行資料更新，以節省面板傳輸介面的耗電量。

　　除改良硬體設計外，要確實降低系統功耗還須軟體的配合。益華電腦（Cadence）亞太區技術協理張永專（圖2）指出，由于處理器邁向多核心、大小核混搭架構，因而產生更細、更復雜的電源管理區塊，驅動處理器、電源晶片和電子設計自動化（EDA）工具商提出新的低功耗電源管理技術，包括動態電壓頻率調整 （DVFS）、CCOpt（Clock Concurrent Optimization）和MBCI（Multi-bit Cell Inferencing）等。

　　張永專分析，處理器中尤以時脈樹（Clock Tree）的運作功耗最高，係邁向節能的首要關鍵；對此，益華已開發一套系統層級功耗管理工具，包括處理器核心配置、電源模擬與驗證機制等，可協助晶片商精確掌握時脈樹工作狀況，進而改善多核心處理器電路布局，實現低功耗設計。

　　值此同時，處理器導入28奈米以下先進製程后，漏電流問題對晶片輕載耗電量影響將更加突顯，因此，張永專透露，益華已與臺積電、安謀國際合作，針對28、20和14奈米晶片漏電流進行優化，未來益華將在新一代EDA工具中導入漏電流演算法，協助晶片商解決輕載耗電問題。

　　平板解析度/性能激增　PMIC拓撲架構大換血

　　除手機電源方案加速改朝換代外，平板PMIC亦隨著螢幕解析度、系統運算效能大增，規格不斷升級；相關晶片商除致力推升產品整合度外，更開始導入筆電電源拓撲，以及手機PMIC的封裝技術，期縮減導通損耗與零組件用量，進而提高轉換效率。

　　安恩科技（iML）應用技術部資深經理高進發（圖3）表示，平板PMIC將逐漸引進高階電源拓撲設計架構，包括以往在筆電電源晶片中採用的橋式整流器 （Bridge Regulator）、同步整流方案，以及新一代單電感多重輸出（Single Inductor Multiple Output）技術，進而提高裝置電源轉換效率。

　　高進發進一步指出，自從new iPad推出以來，平板已全面邁向全高畫質（FHD）以上的螢幕解析度設計，由于背光模組、面板驅動的復雜度大增，因此儘管其PMIC導入高階拓撲將增加成本，相關晶片商仍義無反顧投入研發，并逐步將PMIC介面改為I2C可編程設計，以優化面板調光、開關等參數的調整機制。

　　據悉，同步整流拓撲在筆電電源晶片中已行之有年，平板PMIC改搭此一架構后，將可改善約3？5%的轉換效率。另外，PMIC導入橋式整流器結構亦有助精簡面板供電步驟，可直接由電池輸入端取得電力，進而縮減電力轉換耗損。

　　高進發更透露，愈來愈多電源晶片商在中小尺寸面板電源管理方案中，採用PMIC整合位準轉換器（Level Shifter）的設計，主要係友達、群創等面板廠跟進韓系廠商策略，將閘極驅動器（Gate Driver）電路直接內嵌在面板中，開發GIP（Gate in Panel）方案提高組裝靈活性，使過去大多與閘極驅動器整合的位準轉換器獨立出來，PMIC廠為進一步改善系統功耗與體積，遂開始整合其他分離的電源切換元件。

　　不僅如此，在手機平板化的設計趨勢帶動下，品牌廠對通用型PMIC的需求也更加殷切，已吸引晶片商大舉投入研發高整合度、小尺寸PMIC，并發展新興電源管理系統布局方式，以同時改善電源效率、占位空間和散熱機制，協助行動裝置製造商快速開發手機、平板和平板手機（Phablet）等多樣尺寸產品。

　　手機/平板漸融合　通用型PMIC加速發展

　　奧地利微電子（Austria Microelectronics）市場經理Don Travers（圖4）表示，以往手機、平板PMIC規格有所差異，隨著產品尺寸日益多元，上市時程壓力劇增，品牌和處理器業者均希望盡量縮減設計改變幅度和成本，并達到新產品快速上市的目標，已刺激手機、平板通用型PMIC方案崛起。

　　此外，行動裝置處理器與PMIC之間溝通緊密，傳統設計上大多將兩顆晶片的距離拉近，以減輕資料傳輸負擔與功耗，卻也引發熱源集中的問題，反而影響系統效率。為改進散熱問題，PMIC業者競相提出新的系統布局模式，并針對大尺寸手機更加復雜的多核心處理器、背光模組功率管理需求，取法平板電源控制的優點，以兼顧手機效能與續航力。

　　Travers強調，因應市場需求，奧地利微電子即跳脫一般PMIC商專攻手機或平板的單線發展模式，除積極擴張手機、平板通用型PMIC陣容外，近期更發布一項PMIC遠端回饋線路專利，大幅簡化行動裝置系統設計與散熱問題。

　　據悉，該方案目標係簡化電源管理系統布線，并拉開處理器與PMIC的距離以分散熱源，透過在處理器端外掛一顆功率級（Power Stage）模組，再以遠端回饋線路串連高整合度PMIC，可因應處理器動態電源負載變化做出迅速反應，同時提供較高的轉換效率及更靈活的印刷電路板 （PCB）布局。

　　隨著PMIC整合更多控制元件與電路，并引進數位設計拓撲提升效率，晶圓代工廠和電源晶片商也研擬導入先進製程，開發新一代異質功能整合PMIC，滿足復雜的系統電源管理需求。

　　邁向異質功能整合　PMIC加速制程演進腳步

　　聯電市場行銷處技術經理楊登棠（圖5）表示，高通、戴樂格（Dialog）正積極布局整合MCU及DSP核心的下世代PMIC，藉以提升晶片整合度，讓行動裝置業者有更多設計空間塞進新應用功能，并提高電源管理效率。隨著類比/數位異質晶片融合需求浮現，PMIC晶片商將改變以往類比IC不追求先進製程的概念，加速從現階段主流的0.18微米製程，跨入0.13/0.11微米，甚至在1？2年內朝90、65/55奈米邁進。

　　不同于數位晶片、隨機存取記憶體（RAM）均須倚賴奈米先進制程，才能提高邏輯密度及運算效能，同時減輕功耗、尺寸及生產成本；PMIC等各種類比晶片對電晶體密度的要求則較低，反而著重在晶圓后段導線製作或深溝層隔離（Deep Trench Isolation， DTI）等技術，以改善導通電阻（RDS（ON））及各種操作特性，因此主流製程仍停留在0.18微米以上，晶圓尺寸也還在用六吋、八吋方案，每2年晶片體積微縮比率僅有10~25%。

　　然而，楊登棠分析，目前行動裝置PMIC內部至少都有二十到五十個功能區塊，且接腳數超過兩百個；加上晶片商正致力研發類比/數位異質晶片整合型 PMIC，而新增的MCU、DSP、雜訊消除IC等數位核心一定要以先進製程來做才能發揮經濟效益，在PMIC整合度不斷翻升之下，朝奈米製程演進的需求已開始涌現。同時，相關大廠考量先進製程成本較高，更研擬在2？3年內全面改搭12吋晶圓生產，將晶片產出數量提升兩倍以上，進而縮減10%左右的量產成本。

　　因應新世代PMIC製作需求，楊登棠透露，聯電將部署0.11微米、65/55奈米BCD（Bipolar-CMOS-DMOS）等多元製程。其中，0.11微米方案已開始試產，今年底將正式上線，該公司旗下七個八吋晶圓廠將有五個支援此製程節點，至于65/55奈米BCD方案則是未來主攻重點，將持續加碼投資。此外，聯電近期還與一家晶片廠攜手合作90奈米客製化PMIC製程，并已進入測試階段。

　　事實上，行動裝置品牌廠不僅希望節省晶片耗電，也須要開闢更多電力來源，以滿足用戶行動運算的需求，因而帶動晶片商投入發展微型、高效率交流對直流（AC-DC）充電方案。

　　確保充電快又準　充電器/測試方案翻新

　　恩智浦（NXP）電源方案資深產品行銷經理張錫亮（圖6）強調，EuP Lot 6節能規範施行后，行動裝置業者已面臨更嚴格的產品功耗要求，包括在待機模式下不得超過1瓦（W）；而關機模式則須低于0.5瓦耗電量等規範，因而須導入更新一代的電源轉換器晶片方案，提高電源轉換效率。

　　張錫亮分析，要降低待機功耗的首要關鍵就是減少系統零組件用量，因此電源晶片商正競相發展一次側回授（PSR）、同步整流AC-DC拓撲設計方案，將充電器的零組件控制在叁十顆以下，并滿足各種國際節能規範的電源效率要求。

　　尤其近來手機和平板充電器共用的設計趨勢成形，更將驅動AC-DC電源設計轉變。張錫亮指出，由于手機充電功率為5瓦，而平板多在11瓦左右，因此新一代充電器須偵測裝置所需電壓，以辨別并切換手機或平板充電模式。目前恩智浦已開發一套小型化AC-DC解決方案，可透過在二次側偵測負載變化，動態調整一次側的開關模式電源（SMPS）控制器，同步支援平板、手機充電。

　　隨著行動裝置充電技術革新，新興系統與電池電流量測方案的需求也開始涌現。安捷倫應用工程部資深專案經理祁子年（圖7）表示，手機廠在開發軟硬體時須執行一系列標竿測試，包括評估整體裝置與電路的電池消耗，以及驗證應用程式對系統電力供應的影響等。

　　祁子年指出，行動裝置大多皆導入省電模式，以短叢發的發訊方式運作節省電力，由于裝置在此模式下耗電流非常低，傳統量測方案的動態範圍無法準確測量出系統功耗變化，因此業界正興起互補累計分布函數（CCDF）量測方案，并搭配脈衝式電流抽取技術，同時擴充儀器的動態電流範圍，從而分析并最佳化行動裝置省電模式的運作模式。

　　增加手機電力來源　電池廠競逐新材料技術

　　儘管系統節能設計功夫已有長足進步，但手機廠最終的期待仍是擴充電池容量，工研院IEK產業分析師呂學隆（圖8）表示，手機電池效能每年提升比重僅約 5~8%，遠不及新產品功能演進速度，因此，電池業者已規畫從電池正負極材料、驅動電壓和極板設計叁方面著手，期能兼顧電池體積、容量和成本。

　　呂學隆透露，叁星SDI近期已在電池表面鍍上新材料，開發出4.4伏特（V）高壓驅動的鋰電池方案，藉以改善電流耗損過多的問題，并妥善利用每一分電力；同時，該公司也利用涂布製程及特殊復合材料，提高電池極板的能量密度。至于樂金化學（LG Chemical）和日本戶田工業等日韓電池材料大廠，則投入開發下世代正負極材料，將以鋰叁元系、氧化硅等方案增加蓄電量。

　　顯而易見，隨著行動裝置功能規格迅速攀升，晶片商、電池和量測業者均不遺余力發展「開源節流」的解決方案。其中，由于PMIC掌管系統供電，對新一代行動裝置的發展尤其重要，產值可望從2012年的15億美元，飆升至2016年的24億美元，為相關業者帶來更多商機。