對可攜式電子產品的設計工程師而言，如何在減少消耗電池電力的情況下，將更高階的多媒體功能整合進更小的體積中，且在極短的時間內讓新產品上市，這些要求始終是工程師必需時時面對的壓力。這些產品所具有的許多新功能，例如高傳真再生音響等，便必須仰賴日益複雜的混合信號IC去串連數位虛擬和類比真實世界。

在現今的可攜式電子產品設計中，電源管理和數位及混合信號部分具有同等的重要性，電源管理功能透過電源配置讓可攜式電子產品能提供更為豐富的消費體驗，而這些功能在幾年前還被認為是不可能的。無論裝置的體積大小，無論晶片的功能是否強大，只要是使用電池供應電力的裝置，就一定需要電源管理。電池本身需要被充電及被管理。產品需具備適當的線性或交換式穩壓器以產生及管理特定電路所需的電壓，使其達到一定的標準。而這些功能本身即為混合信號。

因此，在現今的任何系統中，混合信號及電源管理功能，以及極為重要的電源配置已被視為相當複雜的部份，這將成為一個新的趨勢。在三、四年前，行動電話所使用的中央處理器（CPU）在啟動時可能需消耗250mW，而其中的音訊部分僅需耗費25mW。然而，隨著數位電路的半導體製程已進展至90奈米甚至以下，CPU已變得更為省電，因此現在的功耗幾乎與音訊子系統的功耗相當，甚至更低。

類比與混合訊號

就現階段而言，要能減少成本、縮小體積，特別是降低功耗，設計重點已放在類比及混合信號部分。面對如此的挑戰，設計師已設計出解決方案，亦即將周邊的功能整合進日益強大的系統單晶片（SoC）中。至少對於數位功能而言（若僅就外部電路減少此一結果來看），這樣的作法的確產生了立即的效果，且組裝過程也因簡化而可節省成本，穩定性也更為增加，同時也縮小體積。

然而SoC整合的效益總是在下一代的裝置中才更為顯著。根據既定的製程微縮曲線，整合功能持續被加入SoC中。就如同設計的其他部分，每當跨過一個製程世代，它們就變得更小、更快，且功耗更低。

但是就音訊及電源管理而言，比起將這兩種功能加進主晶片-數位SoC中，較好的解決之道是將這些功能整合進一個在主晶片旁的輔助單晶片中。我們必須深入地去檢視採用SoC的作法所面臨的挑戰，如此更能瞭解電源及音訊整合晶片的優勢所在。

在數位裝置中加入類比（廣義的混合信號）電路，始終是一個兩難的問題，類比工程師總是要處理「灰色地帶」。雖然他們使用最好的模擬器、模擬軟體SPICE，而且都是基於個別電晶體的精確演算模型。但一些諸如噪音、諧波失真及電源效率等特性卻是極難透過模擬進行預測。因此，類比設計常常要不斷的微調以符合成本及品質的要求。

對SoC設計師而言，如此的設計方法是很難讓人忍受的。這不僅僅只是為了微調音訊電路，就得付出天價去重製65奈米元件。更重要的是，在產品生命週期越來越短的環境中（如消費性電子產品），因為專案延遲所需付出的機會成本。

相對地，就這些設計考量來看，結合電源及音訊是較合理的作法，並可容許反覆微調的設計方法，以在成本、功耗及音訊品質間取得最佳的平衡。再者，混合信號工程師更能在單一晶片中均衡調整數位及類比的需求，讓這些整合的功能發揮最佳的效果。

假設電源及音訊初次整合便產生效用，則這應該是一個探討先進製程是否具有影響力的極佳例子。實際上將類比電路放進更小的晶片好處很少，甚至是毫無益處。但是在某些情況則有所不同。

對於耳機或揚聲器此類功能而言，轉換器（transducer）的性質並不會因為時間而有明顯的改變，而是要求能穩定地將固定的電力傳輸至相同的裝載中。此類功能實際上是由外部元件所決定的，所以採用先進製程的影響不大。

但就更為基礎的層次而言，滿足類比效能的最佳化晶片尺寸，與數位效能所針對低功耗、低成本及高效能所做出的最佳選擇，兩者從來就不相同。混合信號及類比所需要的是成本最佳化的製程平台，其通常都較數位製程的晶圓大上許多。

例如，利用90奈米晶圓進行整合時，類比工程師通常需要一個較大的晶圓，例如以0.35微米去畫出類比電路。這是因為90奈米晶圓的單位成本是0.35微米晶圓的好幾倍，故將類比功能加入較小晶圓的成本相當高。

整合式設計

因此，達到成本最佳化的最佳方案即為整合電源和音訊。系統設計師從中獲得整合的好處，以及許多附加優點。舉例來說，在先進製程的絕緣破壞電壓通常都比較低，所以當音訊工程師執行諸如電池直連等技術，以及處理常在音訊設計中會遇到的高電壓，就比較不會遇到問題。

整合電源及音訊亦可顯著提升工程師於提供「完美音訊效能」的能力。相對於反覆的「微調」作法，這是一個更具人性的方法，並且能緊密結合穩定及高品質的電源供應，以達到良好的音訊效能。整合系統能輕易地滿足此種需求。

由於在線路設計層級上進行最佳化，因此效能方面亦可獲得提升。如同我們所看到的，混合信號工程師總是擅長於處理類比和數位電路間的互動關係。

整體而言，整合系統可以同時保證其音訊子系統的品質，以及一些可量化的效能（例如功耗）。在現今的許多消費性市場中，此能力是相當關鍵的，因為決定消費者體驗品質的關鍵，不僅僅是核心處理器處理數位訊號的能力，該設備與類比真實世界間的介面品質也同樣重要。

關鍵因素

所以，如果未來真的就是朝向電源和音訊的整合前進，則其成就的裝置該是如何？決定其成功與否的關鍵又為何？

關鍵因素在於製造業者是否能提供減少外部元件的整合解決方案。如此將能滿足體積極為有限的電子產品需求，同時又不犧牲效能，特別是音訊信號鏈。產品將具備豐富的功能，整合DC/DC整流器、LDOs、電池充電器，以及電源管理/控制電路等。典型的GPS及PMP還將需要ADC來連接真實世界的信號，例如電池溫度感應器及電壓監測線路等。

藉由提供如此豐富的功能，這些裝置將能被用來解決一些較難的設計問題，例如，音訊CODEC需要高品質的電源供應，而整合的音訊/電源裝置將同時滿足這兩方面的需求，且能對於效能提供保證。

結語

綜合以上，可知半導體整合的下一步並非SoC能力的擴充，取而代之地，將是由類似Wolfson此類公司發揮所長，其擁有混合信號系統設計專業能力，並且能充分掌握成本最佳化製程技術的優勢。類比和電源管理電路的整合，特別是在音訊方面，將提供消費者更高層次的享受，同時也將更進一步降低成本及簡化設計。

---作者為Wolfson行銷暨應用副總裁---