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消費電子IC整合的技術挑戰及解決策略分析

上網時間: 2005年06月10日     打印版  Bookmark and Share  字型大小:  

關鍵字:消費電子IC  技術挑戰  數位  混合訊號  電源管理電路 

在消費電子產品中,IC更高整合的主要障礙是不同類型電路-主要是數位混合訊號電源管理電路很難用一種生產製程生產。更進一步的整合需要IC供應商在不犧牲性能的情況下,以低成本方式來銜接這些技術差距。本文將分析這些技術挑戰及可能的技術發展。

在小小的矽晶片上整合更多的功能已經成為半導體產業最近幾十年來的焦點。這有幾個原因:首先消費電子產品特別依賴於將多個分離晶片整合到一個IC中來減少成本;其次,整合使設備更小、更便於攜帶,這一點很重要;最後一點就是透過減少系統中元件數量來提高可靠性。

今天,矽晶片整合依然是形成具有新功能的產品以及以更低的成本實現更高性能的關鍵。在可攜式消費電子產品中,摩爾定律不再是限制整合的因素。行動電話、數位相機和高階音樂播放器比最新的PC微處理器的電晶體更少,但依然需要三個或更多的IC。在這種可攜式系統中限制更高整合的主要障礙不是電晶體的數量,而是因為系統不同部份需要不同的電晶體。像微控制器、DSP和記憶體這樣的數位電路需要低工作電壓的小電晶體,以便降低功耗-這是電池供電應用中的關鍵問題,並能有助於提高開關速度。

然而,這些小的低電壓電晶體不適合其它類型的電路。一個例子就是電源管理:開關電壓調節器(DC-DC變換器)、LDO線性調節器以及電池充電器都需要能承受相對更高的電壓和電流的更大電晶體。混合訊號功能,例如音頻編解碼器,是另外一類具有其特殊要求的電路,因為這些電路處理的是類比訊號,電晶體噪音是關心的主要問題,必須使噪音最小化以獲得終端產品更高的性能。而且,混合訊號電路不能僅僅由電晶體構成-它們常常需要在晶片上整合高線性電阻和電容。這些不同的要求很難由一種晶片製造製程來滿足,其結果是不同類型的電路將採用不同的製程。

在消費電子產品中,基於相似製程技術的絕大多數電路已經被整合。為進一步減少這些系統中的晶片數,必須突破這些製程之間的技術壁壘。最極端的做法是將系統的所有半導體元件整合到一個系統單晶片(SoC)上。然而實際上,這會導致一些不如預期的折衷。使用‘數位’製程構建的SoC的性能表現並沒有專用混合訊號IC那麼好,特別是對於高傳真音頻應用來說。整合到這種SoC上的電源管理功能比專用的電源管理單元(PMU)需要更多的外部元件,因為它們的內部電晶體不能應付高電壓。採用‘類比’製程可以解決這些問題,但即使它們的最小電晶體尺寸依然很大,將增加數位電路模組的功耗和尺寸。結果,今天真正的單晶片方案只用在那些為了成本可以犧牲性能的應用中,例如低階音樂播放器。

一個可選的策略是在一個晶片中整合混合訊號和電源管理功能,而數位邏輯部份則獨立開來。這種方法可以將很多系統的晶片數量減少到兩片(那些需要專用電路類型的除外)。同時,它需要的折衷還比較少,因為底層的技術很相似。混合訊號和電源管理都使用類比元件同樣的電晶體,都關心類比性能,而不是僅單純在一個晶片上可以整合的電晶體數量。像電壓調節器一樣,混合訊號音頻電路為驅動微型喇叭,通常其工作電壓和電流較高。

混合訊號和電源管理電路在它們的設計方法上有很多共同之處,都需要基於每個電晶體的準確數學模型的詳細類比模擬(即SPICE)。消費者可透過眼睛和耳朵來根據某些類比特性對產品進行區分,例如噪音、諧波失真以及功效等,這些都很難透過模擬來預測。類比IC設計工程師很重視這個問題,通常手動精細調整晶片上電路單元的佈局。

此外,外部元件和PCB佈局通常像晶片本身一樣能決定最終產品的性能,因此一種系統級的方法不可或缺。另一方面,數位IC的設計與軟體的開發緊密聯繫。數位電路和晶片佈局通常從硬體描述語言(如Verilog或VHDL)的抽象定義中自動產生,這很大程度上將數位設計工程師從對電路中每個電晶體的考慮中解脫出來。數位電路模擬也不需要類比電路模擬那樣的準確度,因為數位電路並不識別0和1之間的中間值。在很多情況下,對於最新的數位IC技術很少有可用的準確電晶體模型。

然而,將電源管理和混合訊號結合起來還是帶來一些新的問題。只有採用開關電源才能獲得當前可攜式設備的功率效率,而開關電源本身會產生開關噪音問題。將音頻或視頻功能放在同一個晶片上使得這些噪音很容易影響類比訊號,降低終端用戶的聽覺或視覺體驗。幸運的是,混合訊號設計工程師已經找到了解決這種問題的方法-他們的IC總是包含大量的數位電路,這些電路也產生開關噪音。他們開發出保護敏感類比訊號的方法也能處理大量的噪音。另一方面,電源管理電路很少會被來自其它電路模組的噪音或干擾所影響。因此,電源管理專家在降低他們IC的噪音方面並不積極。

當前,影響混合訊號電路性能最普遍的問題與電源的穩定性和品質直接相關。例如,透過使電源工作在那些混合訊號功能不敏感的頻率來解決開關噪音問題。電源管理和音頻功能緊密地整合還能使電源響應更快,或者甚至可以預見系統功耗的陡增。這樣的功率突波通常是由於音頻訊號的聲音峰值造成。

縮短電源反應時間減少了對儲存電荷的高價格大電容的需求。這樣一來,設計工程師可以採用更小、更輕和更便宜的電容。在一個類比IC中整合電源管理和混合訊號功能從經濟上和技術上都有明顯的意義。克服開關噪音是這種整合元件成功的關鍵,系統級的設計有助於使這種方案比分離元件有更大的優勢。儘管部份整合的策略顯得比單片整合更保守一些,但在短期到中期具有較好的機會。

作者:Julian Hayes


行銷副總


Email: Julian.Hayes@wolfsonmicro.com


歐勝微電子公司





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