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你真的懂电源?

2018-12-28
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来源:内容来自「中科院半导体所」,谢谢。


《三国演义》第十七回,曹操讨伐袁术,途中粮草不足,众将士都饿得哇哇叫,开始军心不稳。这时曹奸雄把粮仓官王垕叫来,说出了那句著名的“汝妻子吾养之,汝勿虑也”,然后借口王垕“贪污粮草”,把他当众处死,一下子安定了军心。[1]


可怜那王垕勤勤恳恳,谨小慎微,不料人在帐中坐,锅从天上来,稀里糊涂的就命丧黄泉。



由此可见,管后勤从来就不是件容易的事儿,事务琐碎繁杂不说,出了问题第一个倒霉的就是你。


而如今的电子设备如手机,那供电的电源模块就像这费力不讨好的后勤官。虽然兢兢业业地为主人服务,却时不时要受人埋怨,无论你用苹果、三星还是华为、小米,人们换手机的理由总是"电池不行了、耗电太快了..." 今天笔者就来讲讲,为啥always电池背锅?


01


1890年,大发明家爱迪生(Thomas Edison)试图发明一种连续显示照片的装置,可研究的脑壳疼也没进展,于是他决定换换脑子,找个容易的东西弄一哈,结果可充电的铁镍电池就这么诞生了。[2]


也许这只是他一生中,两千多项发明里,极为普通的一项,却对后世的我们产生了巨大影响。


谁都不爱的爱迪生


铁镍电池是什么鬼玩意,它其实是早期手机电池的祖宗,早年用过小灵通、诺基亚的旁友们应该记得,那会儿手机有多麻烦。(就因为它们是镍合金电池)


以前手机新买回来,充电一定要耐心。首先第一次冲电要24小时以上,此所谓三顾茅庐;其次充足电一定不能放着不用,否则会破坏寿命;且尽量在电量用完后再充电,此所谓鞠躬尽瘁;最后充电不能充太久,否则就要英年早逝。哎我说,你这手机比老婆还难伺候啊。



为此镍电池没少受埋怨,这手机后勤官做的委屈吧啦的,但说到底这还真得怨它。之所以这么多毛病,是因为基于镍的电池会产生一种被称为“周期记忆”的现象,指的是电池中会形成晶体,使得自放电速率一次次增大。


就是说这镍电池会记住自己活了多久,而且年纪越大越不成器,简直就是孔融口中“小时了了,大未必佳”的那老哥,一把年纪活到狗身上去了。


图文无关


更可怕的是,耗电快就算了有些镍电池还有毒(说的就是你,镍镉电池)。而没毒的镍氢电池却性能差不说,还可能“中道崩殂”。


用到一半就不好使的镍氢电池[3]


镍电池时代,如果这电池是个人,估计很多用户都想说句“汝妻子吾养之”,然后把它给宰了,真是太气人了。


02


上一节我们说爱迪生不是在搞一个,基于“视觉暂留效应”的连续显示照片的装置嘛,后来它搞出来了,现在人们管它叫“电影”。这件事做完之后,爱大发明家闲下来了,于是又着手研究新的电池。[4]


1902年,爱迪生发明了“碱性电池”,这种电池是用镍、铁和碱溶液制成的,他用这种电池作车辆动力的试验,每充一次电,行程可达100英里,真是非常持久呢。加上之前早就出现的铅酸电池和上文提到的镍合金电池,至此电池届的“三巨头”终于出现了。


我碱性电池,我铅酸电池,我镍电池,在此结义,不求同年同月生,但求。。。你俩先死


三巨头斩鸡头、烧黄纸、歃血为盟,决定日后三分电池届的天下。恰好三者优缺互补,各有各自的应用领域。


其中,碱性电池保质期长,但是循环寿命短、能量密度低,适用于放电量不大、需长时间使用的地方;而铅酸电池较便宜且输出功率大,但是体积太大,常用于汽车行业;最后,我们之前说的镍电池由于其特性,一般用于手持设备比如手机。



本来地盘划分的好好的,三基友开开心心过着日子,不料半路杀出个程咬金。1990年日本索尼公司开发出战斗力爆表的锂电池,它不仅没有令人讨厌的记忆效应,而且能量密度很高使用寿命也很长,这简直就是人见人爱的“锦锂”嘛。



锂电池的出现迅速取代了镍电池的江湖地位,一个可见的变化在于,手机、笔记本等便携式电子设备的重量和体积大大减小。


瘦身成功的手持电子设备


当然,锂电池这般尤物也并不是没有缺点的。它的充放电电压最好能在2.4V~4.2V之间,一旦偏离就容易燃烧爆炸,所以歌手陈粒的“易燃易爆炸”完全可以改名儿叫“我,锂电池!”嘛。


这也是为什么安检时要求拿出来手机、笔记本,容量大的充电宝不让带上飞机,以及爸妈不让小朋友和不懂事的大人瞎玩手机电池的原因,真的会炸!


03


正因为锂电池“脾气暴躁”,需要严格管控其工作电压;且电子设备各个部分电压需求不同,需要精确按需分配,所以电源管理芯片应运而生。


如果说电池是电源后勤官的粮草,那么电源管理芯片就是它的左膀右臂,它们负责将粮草(电能)有效分配给设备中的不同组件。



对于我们的第六器官--手机来说,没多少粮草(电池体积小)却有不少活干(衣食住行全靠它),电源管理芯片的作用就显得极为重要,优秀的电源管理芯片能将续航时间,电池寿命大大提高。


什么是优秀电源管理芯片呢,它有这两个特点:低功耗高效能。这好理解,就是希望它吃的比鸡少,干的比狗多。emh,我们确实像个黑心老板。


这如何实现呢,就要靠我们的集成电路设计师了。这两点要求看着容易,做起来可难,需要综合考量功耗、性能、响应速度、噪声等一系列参数,可把我们IC设计师愁坏了。因此在业界一直有一个说法,如何区分一个IC设计师的水平?看发量!


未在深夜里苦思脱发的ICer,不足以谈人生!


那电源管理芯片都分哪些类别?其实就接口保护电路电压调整两类而已。他们就好像我们身边的军人和警察,一个负责保护我们不受外敌侵扰,另一个负责内部的稳定。


两种类别均仅列出主流常用的种类


接口大家应该比较熟悉,特别是那些经常忘带充电器,需要找人借的小伙伴。而接口保护电路,就是在你把接口插斜了、插反了、插到舍友的鼻孔里(误)的时候对接口进行保护。


以手机充电接口为例,现在市面上比较主流的有三种,华为等厂家采用的USB-C接口、三星等用的Micro USB接口以及苹果的Lightning接口


三大接口图及无所不在的接口


从图中可以看到,三者各有特点,目前市场上占比最大的是Micro USB接口,除手机外,很多便携式电子设备都用了这种接口。不过,这种接口有个很大的问题,就是其存在正反面差异,经常让用户很头疼。


而USB-C口因为无正反面,支持USB接口双面插入,正式解决了“USB永远插不准”的世界性难题,想必早晚会一统接口界。据说苹果都打算放弃Lightning,加入USB-C阵营了。


而说到电压调整类,这个比较难理解,我以线性稳压器(Low Dropout Regulator ,LDO)为例,给大家介绍一下。其核心器件其实就是一个功率管,大概长这样。



但在设计中,我们希望它:


1.能不受温度变化影响(温漂小);

2.“飘了”、“膨胀了”能自己脉动回来(负反馈);

3.能在电流过大、电压过大的时候自己保护自己(过流保护);

4.在不用的时候,我们希望它有很长的待机时间(很小的静态电流);


这只是需求中最简单部分,此外还有电源抑制比,环路稳定性,噪声等等一大堆需求。因此我们需要设计出的各种各样的模块,满足客户的各种奇葩需求。这样一个简单的LDO,被越做越大,模块越做越复杂,晶体管的数量越做越多。最后一个小东西,变成一个大工程。[5]


LDO原理图和一个版图实例


而这仅仅是芯片设计环节,之后还有晶圆制造以及封装测试等环节,里面的门门道道更是深不见底。从这里可以看出,芯片制造业分支之细,制造过程之难,所以很多时候当键盘侠说我们搞半导体的都是吃干饭的,我想把下图送给他们。



04


我们红火的互联网包括移动互联网,其实是建立在各种芯片组成的硬件的基础上;而硬件又受材料科学限制,比如从镍电池到锂电池;材料科学又受限于基础学科的进步。


在学校,经常有人说研究基础学科,如物理、化学是大坑,其实不然。这些基础学科都是高科技制造业的地基,如果地基不牢,我们是无法将大厦盖高的。


而可喜的趋势在于,我国正不断加大经费投入,用于基础学科的突破。比如投资建设了预算超过300亿的环形正负电子对撞机(Circular Electron Positron Collider ,CEPC),致力于探索粒子物理学的高峰,挖掘出标准模型背后的物理定律。[6]


电子对撞机


不仅如此,目前计算机、通信和其他电子设备制造业也已成为我国目前投入最高的产业。从2014年开始,我国成立了集成电路大基金,大力扶持芯片行业,各地争相建立集成电路基地,给芯片企业大开绿灯。在这种情况下,IC设计全行业销售额逐年稳步上涨,在全球集成电路设计业的占比也不断提高。[7]



这也迅速带动了从业人员薪资的增长,今年集成电路芯片设计公司的校招研发岗位,待遇相比去年明显提高,甚至很多地方出现薪资倒挂的现象(就是校招工资比从业者还高。)


部分IC设计公司薪资待遇一览表


在这种高投入高激励下,低端芯片领域上国内已近迎头赶上,而高端芯片也在步步前进,相信中国芯片产业的崛起只是时间问题,哪怕再过三年,情况都可能大不一样。


做电源后勤管理,不是份容易的好差事,做芯片更不是,但我们不会放弃,中国芯片加油!中国加油!


参考资料:

[1].三国演义,罗贯中

[2].电化学原理,李荻 

[3].模拟集成电路设计——以LDO设计为例,[美]林康-莫莱

[4].基于视觉暂留效应的漂浮广告应用性研究,苏涛 孙龙天 滕南军 王健

[5].电源管理芯片的分析与设计,刘欣

[6].环形正负电子对撞机土建及通用系统配套工程咨询招标公告. 中国科学院高能物理研究所.2016-01-13

[7].迎接设计业的难得发展机遇,魏少军


今天是《半导体行业观察》为您分享的第1810期内容,欢迎关注。

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