Ultrabook电源架构朝高度整合趋势设计

Ultrabook设计要求极致薄化，造成垂直向机构空间大幅压缩，常规元件可能无法因应设计要求，必须寻求高度整合之元件方案，才能满足薄化设计目标。Lenovo

Ultrabook主攻轻薄设计，在极薄的厚度内整合常规笔记本电脑的所有零组件，即便零组件皆已因应薄型设计改善元件设计，但原有零组件的运行功耗却不一定有相对应程度的改善设计，产品内仍有大量DC-DC、AC-DC转换器需进行整体设计，电源应用方案若无法因应薄化设计进行对应改善，对于Ultrabook要求的长时间运行要求，也势必遭遇更多设计阻碍需一一突破...

常规笔记本电脑的市场销售表现，近来有日渐疲软的现象，不只是因为消费者将目光聚焦在平板电脑、智能手机等酷炫的电子产品，同时也遭到苹果的MacBook Air超薄笔记本电脑的直接竞争，大幅压缩常规笔记本电脑的原有市场，笔记本电脑业者为抢食超薄型笔记本电脑的市场，也尝试投入Ultrabook概念产品与苹果的MacBook Air直接竞争。

Ultrabook主打薄化构型设计，以常规笔记本电脑的关键零组件应有的表现规格，进行产品功能建构，但同时却必须在极有限的构型空间进行元件配置，实际的状况是空间被压缩了2~3倍，但元件应有的用电功耗却没有多大改善，而产品设计还必须面临更严苛的散热处理和电源配置设计，即便笔记本电脑产品在显示、存储、电子电路各方面均已有相当程度的设计与开发经验，但在面对Ultrabook薄化的严苛设计条件下，仍让许多老字号的笔记本电脑业者必须花比以往常规笔记本电脑产品开发周期超过1~2季的时程，才能开发出首批达Ultrabook要求的量产设计。

剖析Ultrabook的设计需求

讨论Ultrabook供电设计方案前，必须先理解Ultrabook整体的元件耗能配置与供电需求，Ultrabook概念最初是在2011年6月COMPUTEX发表的，在笔记本电脑越做越轻薄潮流的市场趋势基础上，追加了高性能、高安全性、高电池续航力等产品要素。

在Ultrabook规划设计案下，产品同时提供Intel Quick Sync Video视讯实时编码加速、WiDi无线显示等加值功能，这些功能细项虽可提升用户体验，但也必须有基础的运算效能奥援，才能满足实时运算编码、解码的处理需求。在Ultrabook性能提升的目标方面，Intel计划为Ultrabook提供的解决方案为采行低功耗版TDP(Thermal Design Power)仅17W CPU解决方案，这比常规笔记本电脑常用的处理器解决方案TDP大多在35W的运算解决方案来说，相同的运算能量耗能却等于有减半的水准。

基本上在Intel规划的Ultrabook概念产品，在性能方面的表现已足够应付日常运行与应用需求，除在关键的高耗能料件(如处理器、芯片组、绘图处理器)方面达到耗能减半的设计基础下，对于Ultrabook若采行与常规笔记本电脑相同的电池芯驱动，等于也让电池续航力自4小时增至8小时水准。

另外，在以前强调轻薄设计的笔记本电脑产品，为求在有限的电池设计下维持较长的工作时数，必须采行低功耗、超低功耗的超低电压版本处理器，但这类解决方案会因为超低电压版本的运算解决方案本身的效能表现有限，相对影响了整体产品的操作流畅度，尤其是搭载新款视窗操作系统需同时处理大量的显示互动效果，对于整体运算效能无疑是增加了更多处理负荷。

为解决效能问题、提高系统的反应速度，Intel在Ultrabook利用3个设计方针改善以往轻薄产品的效能瓶颈，首先芯片组搭载SRT(Smart Response Technology)混合硬盘加速功能，可以让系统利用SSD(Solid State Drive)固态硬盘做为机械式硬盘机的缓冲存储区块，藉以达到提昇整体系统的数据存取性能，同时又能兼顾合宜的料件成本。

第二是利用Smart Connect Technology支持，让Ultrabook在系统睡眠状态，也可进行如邮件服务器、SNS社群网络服务(Social Networking Services)取得更新数据，这代表系统必须自睡眠状态快速恢复后、即可检视系统与网络服务的最新同步后状态。

第三是Rapid Start Technology，此为利用高速快闪存储器辅助，让Ultrabook可自深度休眠状态快速恢复系统的运行状态准备，以往常规笔记本电脑的系统自深度睡眠恢复约要耗时1~2分钟，而Ultrabook视采行SSD或混和式硬盘、SSD设计，仅需5~10秒能完成Ultrabook系统唤醒，而休眠状态下的系统功耗表现亦必须趋近于零。

因应Ultrabook的高安全性设计，此与功耗问题较无关，主要是透过Intel Identity Protection Technology与Anti-Theft Technology两项技术达成，Identity Protection Technology主要由系统产生一组一次性的口令，用户必须正确输入才可能使用Ultrabook，Anti-Theft Technology是当Ultrabook遗失或遭窃时，透过线上抹除Ultrabook内置硬盘或SSD重要数据，同时透过网络数据与定位信息追踪设备位置的防护措施。

目前常规笔记本电脑的耗能功耗多在25W以上，即便是CULV(Consumer Ultra-Low Voltage)笔记本电脑已达到10W功耗水准，Ultrabook将整机在常规笔记本电脑的性能水准基础下，将功耗将降至15~20W水准，而在目前终极的SoC(System on a Chip)运算方案趋势驱动下，极可能以CULV功耗水准达到常规笔记本电脑的运算效能需求。

目前Ultrabook首批运算解决方案为基于Sandy Bridge的第二代Core处理方案，新Ivy Bridge将搭配第三代Core处理器令Ultrabook概念更能具体落实，2013年Haswell的移动运算平台将以研发代号为「Shark Bay」，来满足更严苛的Ultrabook设计要求。

厚度更趋薄化　被动元件需采薄型化设计方案

尤其是在Ultrabook的薄化要求下，让许多原本就具备一定厚度、体积的电源管理IC，如DC-DC(直流-直流)转换IC、AC-DC(交流-直流)转换IC与相关电源管理方案产品，面临微型化、薄型化设计的趋势，而薄化设计后也会影响元件的效能、寿命、散热等问题，而目前已针对常规笔记本电脑开发的各式电源管理方案，部分仍可直接沿用于Ultrabook设计，但有些产品就必须采取特殊规格来因应Ultrabook的设计要求。

超轻薄Ultrabook标榜精巧与省电特性，虽然已经催生了体积更小、耗能更低的中央处理器、芯片组与对应控制芯片的料件设计趋向因应薄型产品的设计要求，但在非处理器、芯片组等重点元件方面，多数Ultrabook设计方案仍旧先以常规笔记本电脑的元件配套进行设计，这或许在多数的S.M.T(Surface Mounting Technology)元件已有极薄化的元件应用方案，反而是高度整合的功能性IC，如电源管理、保护元件等功能性元件或解决方案，碍于成本与微缩产品功能限制，未必能满足Ultrabook现有的设计需求，反而成为产品薄化设计首要面对的重点课题。

尤其是针对处理器的供电要求，薄化设计的Ultrabook在处理器方面，因应小型化设计方案要求，在供应电源的设计方案已有大幅改善设计，电源IC仅需提供单相 (Single Phase)交换式电源控制元件(Switcher)来处理供电问题，尤其是目前已有针对薄化要求的电源管理解决方案推出，可提供小尺寸、低功耗设计要求的单相交换式电源控制器解决方案，同时又具备高度整合的非处理器电源需求支持、甚至搭载脉冲宽度调变(Pulse Width Modulation；PWM)的多功能电源控制IC，已经有相关应用用于Ultrabook设计方案中。

尤其是以往在常规笔记本电脑中体积较大，碍于成本较难采微缩方案设计的多数被动元件，在Ultrabook设计方案中，因应薄化设计的重点设计要求下，元件选料反而可以尝试采取高度整合、极度薄化的新颖电源设计方案，尤其是为了实现更小尺寸、更低耗电、同时又能缩小外部被动元件，来达成终端设计产品的尺寸缩减和控制料件成本的目的。

尤其是常规笔记本电脑的设计方案，由于传统笔记本电脑在整体的功耗表现碍于选料的成本要求，致使整体设计的功耗表现偏高，产品的操作电流耗用较高，一般设计约在60~90A左右，部分高效能型式的笔记本电脑耗用电流甚至高达110~120A，这会造成整体电源设计必须搭配二相位、三相位脉冲宽度调变的控制器来进行产品设计(以单相20A操作电流计算)。

因应薄化产品要求　被动元件也须同步减量、薄化

反观Ultrabook的设计方案，在处理器的工作电压最高仅1.8V，驱动电流约在20~30A，相较常规笔记本电脑使用的电源设计方案，若为了节省料件成本，沿用或稍微修改现有的常规笔记本电脑电源设计，会造成电源处理设计出现多余设计，造成整体能源使用效率偏低，同时产品的厚度也无法达到有效压缩、薄化目的。

Ultrabook的电力驱动需求，若以最耗能的处理器、芯片组来观察，顶多在1.8V搭配至高30A的电源配置，这种需求应用单相交换式电源因应电源设计，已绰绰有余。即便是Intel新一代处理器平台，仍建议采二相、三相位脉冲宽度调变控制器来设计电源电路，但未来Haswell的移动运算平台的shark bay运算解决方案，将可达到仅以单相交换式电源即可满足系统驱动要求的电源设计方案。

即便单相式交换式电源解决方案，还未有急迫需求，电源控制IC业者已摩拳擦掌抢攻Ultrabook设计趋势下的暴量市场需求，例如，安森美(ON Semiconductor)与台湾的立錡，已推出针对Ultrabook电源设计需求最佳化的单相交换式电源方案，为持续压缩元件体积与提升电源交换效能，安森美、立錡等供应商在新电源设计方案中，也采行高频脉冲宽度调变(PWM)技术提升效能。

Ultrabook的处理器电源设计，为采行500K~1.2MHz的Pulse Width Modulation脉冲宽度调变，借此达到减小外部如电容、电感等被动元件缩小化设计需求，借此达到节省载板空间。而在被动元件方面，为达到更轻、更薄的处理器电源驱动设计，目前已有业者计划推出尺寸小于2mm的超薄型电感元件，除可搭配多相(Multi Phase)电源设计，来满足提高电源转换效率的设计目的，也可搭配单相21A的交换式电源输出电流设计方案。

Ultrabook将全面导入NVDC1　电源设计将走向高整合趋势

除了处理器、芯片组运算解决方案的高耗能区块外，Ultrabook与常规笔记本电脑一样，也有一大部分的非处理器、芯片组的元件供电设计必须满足，而非处理器的电源供应设计其实会更趋复杂。以Ultrabook的极薄设计方案观察，目前主流设计大多朝高度整合的电源方案，来简化初期产品薄化的电源设计方案，因为一方面是设计机构已无法如过往常规笔记本电脑设计案般，有大量余裕空间可以置放大量被动元件，同时机构内的散热区块，亦可利用大量机构空间处理，另一方面，也是因应元件空间缩小，载板面积也大幅被压缩，传统笔记本电脑的非处理器电源供应设计方案也无法塞入有限的载板空间，自然必须采高度整合的解决方案因应，快速达到薄化设计要求。

目前因应薄化后的电源设计方案，Intel为了配合第三代Shark Bay推出，期透过NVDC1主电源架构来令新平台的应用价值更能被凸显、强化，NVDC1的主电源设计架构也必须纳入未来产品的电源设计考量。由于NVDC1主电源架构的操作电流小，将使非CPU电源设计走向高整合。

NVDC1主电源架构，最初为英特尔于2003年主导推出的非处理器整合电源设计，目前会朝与第三代Shark Bay平台搭配整合的方向进行，不只是NVDC1本身高度整合电源设计的方案带来的设计优势，此趋势同时也会带动高度整合之非处理器电源应用方案的市场需求增加。而以NVDC1电源架构为例，主要会将非处理器的多元供电需求采功能性的整合设计，电源方案会整合如高频脉冲宽度调变(PWM)、MOSFET、线性稳压器(Low Dropout Regulator；LDO)、电阻元件(Terminator)等。

虽然非处理器的供电设计，趋势是以大量整合为发展方向，但更实际的元件成本、效能前提下，并非是只有大量整合才是最佳化设计。以Ultrabook在13寸显示屏幕以下的设计方案来说，系统载板面积相当小，必须采大量整合的电源设计方案，但是，若是14~15寸或以上显示屏幕的Ultrabook，其载板面积相对空间较大，使用高成本的高整合电源器件，反而会形成成本过高。

比较合宜的非处理器电源设计方案可以部分整合器件来搭配，例如，PWM与MOSFET功率元件整合、再搭配LDO与电阻器整合的搭配非处理器用电源设计方案，这可兼顾成本、效能与易于载板布线设计等多项优点。

整合的方向并非全数整合才是最佳化设计，前述提及，当载板空间有余裕、又能满足极致薄化的设计前提，就不需一昧追求高度整合的电源设计，可采部分整合搭配少许离散元件设计方案建构电源电路，若为了追求高度电源整合设计方案，反而使电源电路引发较多如寄生电感、电容的设计缺失，造成电源转换效率表现低下，就不见得能获得高度整合的设计优势。