Ultrabook電源架構朝高度整合趨勢設計

Ultrabook設計要求極致薄化，造成垂直向機構空間大幅壓縮，常規元件可能無法因應設計要求，必須尋求高度整合之元件方案，才能滿足薄化設計目標。Lenovo

Ultrabook主攻輕薄設計，在極薄的厚度內整合常規筆電的所有零組件，即便零組件皆已因應薄型設計改善元件設計，但原有零組件的運行功耗卻不一定有相對應程度的改善設計，產品內仍有大量DC-DC、AC-DC轉換器需進行整體設計，電源應用方案若無法因應薄化設計進行對應改善，對於Ultrabook要求的長時間運行要求，也勢必遭遇更多設計阻礙需一一突破...

常規筆電的市場銷售表現，近來有日漸疲軟的現象，不只是因為消費者將目光聚焦在平板電腦、智慧型手機等酷炫的電子產品，同時也遭到蘋果的MacBook Air超薄筆記型電腦的直接競爭，大幅壓縮常規筆電的原有市場，筆電業者為搶食超薄型筆電的市場，也嘗試投入Ultrabook概念產品與蘋果的MacBook Air直接競爭。

Ultrabook主打薄化構型設計，以常規筆電的關鍵零組件應有的表現規格，進行產品功能建構，但同時卻必須在極有限的構型空間進行元件配置，實際的狀況是空間被壓縮了2~3倍，但元件應有的用電功耗卻沒有多大改善，而產品設計還必須面臨更嚴苛的散熱處理和電源配置設計，即便筆電產品在顯示、儲存、電子電路各方面均已有相當程度的設計與開發經驗，但在面對Ultrabook薄化的嚴苛設計條件下，仍讓許多老字號的筆電業者必須花比以往常規筆電產品開發週期超過1~2季的時程，才能開發出首批達Ultrabook要求的量產設計。

剖析Ultrabook的設計需求

討論Ultrabook供電設計方案前，必須先理解Ultrabook整體的元件耗能配置與供電需求，Ultrabook概念最初是在2011年6月COMPUTEX發表的，在筆記型電腦越做越輕薄潮流的市場趨勢基礎上，追加了高性能、高安全性、高電池續航力等產品要素。

在Ultrabook規劃設計案下，產品同時提供Intel Quick Sync Video視訊即時編碼加速、WiDi無線顯示等加值功能，這些功能細項雖可提升用戶體驗，但也必須有基礎的運算效能奧援，才能滿足即時運算編碼、解碼的處理需求。在Ultrabook性能提升的目標方面，Intel計畫為Ultrabook提供的解決方案為採行低功耗版TDP(Thermal Design Power)僅17W CPU解決方案，這比常規筆電常用的處理器解決方案TDP大多在35W的運算解決方案來說，相同的運算能量耗能卻等於有減半的水準。

基本上在Intel規劃的Ultrabook概念產品，在性能方面的表現已足夠應付日常運行與應用需求，除在關鍵的高耗能料件(如處理器、晶片組、繪圖處理器)方面達到耗能減半的設計基礎下，對於Ultrabook若採行與常規筆電相同的電池芯驅動，等於也讓電池續航力自4小時擴增至8小時水準。

另外，在以前強調輕薄設計的筆電產品，為求在有限的電池設計下維持較長的工作時數，必須採行低功耗、超低功耗的超低電壓版本處理器，但這類解決方案會因為超低電壓版本的運算解決方案本身的效能表現有限，相對影響了整體產品的操作流暢度，尤其是搭載新款視窗作業系統需同時處理大量的顯示互動效果，對於整體運算效能無疑是增加了更多處理負荷。

為解決效能問題、提高系統的反應速度，Intel在Ultrabook利用3個設計方針改善以往輕薄產品的效能瓶頸，首先晶片組搭載SRT(Smart Response Technology)混合硬碟加速功能，可以讓系統利用SSD(Solid State Drive)固態硬碟做為機械式硬碟機的緩衝儲存區塊，藉以達到提昇整體系統的資料存取性能，同時又能兼顧合宜的料件成本。

第二是利用Smart Connect Technology支援，讓Ultrabook在系統睡眠狀態，也可進行如郵件伺服器、SNS社群網路服務(Social Networking Services)取得更新資料，這代表系統必須自睡眠狀態快速恢復後、即可檢視系統與網路服務的最新同步後狀態。

第三是Rapid Start Technology，此為利用高速快閃記憶體輔助，讓Ultrabook可自深度休眠狀態快速恢復系統的運行狀態準備，以往常規筆電的系統自深度睡眠恢復約要耗時1~2分鐘，而Ultrabook視採行SSD或混和式硬碟、SSD設計，僅需5~10秒能完成Ultrabook系統喚醒，而休眠狀態下的系統功耗表現亦必須趨近於零。

因應Ultrabook的高安全性設計，此與功耗問題較無關，主要是透過Intel Identity Protection Technology與Anti-Theft Technology兩項技術達成，Identity Protection Technology主要由系統產生一組一次性的密碼，用戶必須正確輸入才可能使用Ultrabook，Anti-Theft Technology是當Ultrabook遺失或遭竊時，透過遠端抹除Ultrabook內置硬碟或SSD重要資料，同時透過網路數據與定位資訊追蹤設備位置的防護措施。

目前常規筆電的耗能功耗多在25W以上，即便是CULV(Consumer Ultra-Low Voltage)筆記型電腦已達到10W功耗水準，Ultrabook將整機在常規筆電的性能水準基礎下，將功耗將降至15~20W水準，而在目前終極的SoC(System on a Chip)運算方案趨勢驅動下，極可能以CULV功耗水準達到常規筆電的運算效能需求。

目前Ultrabook首批運算解決方案為基於Sandy Bridge的第二代Core處理方案，新Ivy Bridge將搭配第三代Core處理器令Ultrabook概念更能具體落實，2013年Haswell的行動運算平台將以研發代號為「Shark Bay」，來滿足更嚴苛的Ultrabook設計要求。

厚度更趨薄化　被動元件需採薄型化設計方案

尤其是在Ultrabook的薄化要求下，讓許多原本就具備一定厚度、體積的電源管理IC，如DC-DC(直流-直流)轉換IC、AC-DC(交流-直流)轉換IC與相關電源管理方案產品，面臨微型化、薄型化設計的趨勢，而薄化設計後也會影響元件的效能、壽命、散熱等問題，而目前已針對常規筆電開發的各式電源管理方案，部分仍可直接沿用於Ultrabook設計，但有些產品就必須採取特殊規格來因應Ultrabook的設計要求。

超輕薄Ultrabook標榜精巧與省電特性，雖然已經催生了體積更小、耗能更低的中央處理器、晶片組與對應控制晶片的料件設計趨向因應薄型產品的設計要求，但在非處理器、晶片組等重點元件方面，多數Ultrabook設計方案仍舊先以常規筆電的元件配套進行設計，這或許在多數的S.M.T(Surface Mounting Technology)元件已有極薄化的元件應用方案，反而是高度整合的功能性IC，如電源管理、保護元件等功能性元件或解決方案，礙於成本與微縮產品功能限制，未必能滿足Ultrabook現有的設計需求，反而成為產品薄化設計首要面對的重點課題。

尤其是針對處理器的供電要求，薄化設計的Ultrabook在處理器方面，因應小型化設計方案要求，在供應電源的設計方案已有大幅改善設計，電源IC僅需提供單相 (Single Phase)交換式電源控制元件(Switcher)來處理供電問題，尤其是目前已有針對薄化要求的電源管理解決方案推出，可提供小尺寸、低功耗設計要求的單相交換式電源控制器解決方案，同時又具備高度整合的非處理器電源需求支援、甚至搭載脈衝寬度調變(Pulse Width Modulation；PWM)的多功能電源控制IC，已經有相關應用用於Ultrabook設計方案中。

尤其是以往在常規筆電中體積較大，礙於成本較難採微縮方案設計的多數被動元件，在Ultrabook設計方案中，因應薄化設計的重點設計要求下，元件選料反而可以嘗試採取高度整合、極度薄化的新穎電源設計方案，尤其是為了實現更小尺寸、更低耗電、同時又能縮小外部被動元件，來達成終端設計產品的尺寸縮減和控制料件成本的目的。

尤其是常規筆電的設計方案，由於傳統筆記型電腦在整體的功耗表現礙於選料的成本要求，致使整體設計的功耗表現偏高，產品的操作電流耗用較高，一般設計約在60~90A左右，部分高效能型式的筆電耗用電流甚至高達110~120A，這會造成整體電源設計必須搭配二相位、三相位脈衝寬度調變的控制器來進行產品設計(以單相20A操作電流計算)。

因應薄化產品要求　被動元件也須同步減量、薄化

反觀Ultrabook的設計方案，在處理器的工作電壓最高僅1.8V，驅動電流約在20~30A，相較常規筆電使用的電源設計方案，若為了節省料件成本，沿用或稍微修改現有的常規筆電電源設計，會造成電源處理設計出現多餘設計，造成整體能源使用效率偏低，同時產品的厚度也無法達到有效壓縮、薄化目的。

Ultrabook的電力驅動需求，若以最耗能的處理器、晶片組來觀察，頂多在1.8V搭配至高30A的電源配置，這種需求應用單相交換式電源因應電源設計，已綽綽有餘。即便是Intel新一代處理器平台，仍建議採二相、三相位脈衝寬度調變控制器來設計電源電路，但未來Haswell的行動運算平台的shark bay運算解決方案，將可達到僅以單相交換式電源即可滿足系統驅動要求的電源設計方案。

即便單相式交換式電源解決方案，還未有急迫需求，電源控制IC業者已摩拳擦掌搶攻Ultrabook設計趨勢下的暴量市場需求，例如，安森美(ON Semiconductor)與台灣的立錡，已推出針對Ultrabook電源設計需求最佳化的單相交換式電源方案，為持續壓縮元件體積與提升電源交換效能，安森美、立錡等供應商在新電源設計方案中，也採行高頻脈衝寬度調變(PWM)技術提升效能。

Ultrabook的處理器電源設計，為採行500K~1.2MHz的Pulse Width Modulation脈衝寬度調變，藉此達到減小外部如電容、電感等被動元件縮小化設計需求，藉此達到節省載板空間。而在被動元件方面，為達到更輕、更薄的處理器電源驅動設計，目前已有業者計畫推出尺寸小於2mm的超薄型電感元件，除可搭配多相(Multi Phase)電源設計，來滿足提高電源轉換效率的設計目的，也可搭配單相21A的交換式電源輸出電流設計方案。

Ultrabook將全面導入NVDC1　電源設計將走向高整合趨勢

除了處理器、晶片組運算解決方案的高耗能區塊外，Ultrabook與常規筆電一樣，也有一大部分的非處理器、晶片組的元件供電設計必須滿足，而非處理器的電源供應設計其實會更趨複雜。以Ultrabook的極薄設計方案觀察，目前主流設計大多朝高度整合的電源方案，來簡化初期產品薄化的電源設計方案，因為一方面是設計機構已無法如過往常規筆電設計案般，有大量餘裕空間可以置放大量被動元件，同時機構內的散熱區塊，亦可利用大量機構空間處理，另一方面，也是因應元件空間縮小，載板面積也大幅被壓縮，傳統筆電的非處理器電源供應設計方案也無法塞入有限的載板空間，自然必須採高度整合的解決方案因應，快速達到薄化設計要求。

目前因應薄化後的電源設計方案，Intel為了配合第三代Shark Bay推出，期透過NVDC1主電源架構來令新平台的應用價值更能被凸顯、強化，NVDC1的主電源設計架構也必須納入未來產品的電源設計考量。由於NVDC1主電源架構的操作電流小，將使非CPU電源設計走向高整合。

NVDC1主電源架構，最初為英特爾於2003年主導推出的非處理器整合電源設計，目前會朝與第三代Shark Bay平台搭配整合的方向進行，不只是NVDC1本身高度整合電源設計的方案帶來的設計優勢，此趨勢同時也會帶動高度整合之非處理器電源應用方案的市場需求增加。而以NVDC1電源架構為例，主要會將非處理器的多元供電需求採功能性的整合設計，電源方案會整合如高頻脈衝寬度調變(PWM)、MOSFET、線性穩壓器(Low Dropout Regulator；LDO)、電阻元件(Terminator)等。

雖然非處理器的供電設計，趨勢是以大量整合為發展方向，但更實際的元件成本、效能前提下，並非是只有大量整合才是最佳化設計。以Ultrabook在13吋顯示螢幕以下的設計方案來說，系統載板面積相當小，必須採大量整合的電源設計方案，但是，若是14~15吋或以上顯示螢幕的Ultrabook，其載板面積相對空間較大，使用高成本的高整合電源器件，反而會形成成本過高。

比較合宜的非處理器電源設計方案可以部分整合器件來搭配，例如，PWM與MOSFET功率元件整合、再搭配LDO與電阻器整合的搭配非處理器用電源設計方案，這可兼顧成本、效能與易於載板布線設計等多項優點。

整合的方向並非全數整合才是最佳化設計，前述提及，當載板空間有餘裕、又能滿足極致薄化的設計前提，就不需一昧追求高度整合的電源設計，可採部分整合搭配少許離散元件設計方案建構電源電路，若為了追求高度電源整合設計方案，反而使電源電路引發較多如寄生電感、電容的設計缺失，造成電源轉換效率表現低下，就不見得能獲得高度整合的設計優勢。