芯片三国：电源后勤官

《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。

图片出自电视剧《三国演义》

而如今的电子设备如手机，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？

意外出生还难养活的“祖宗”——镍电池

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，找个容易的东西研究一下。于是，他选的是蓄电池，研究的方法也很简单，就是“换料不换汤”。嗯，更学术的表达是：通过不断更换蓄电池的正负极材料，获得充放电效率最好的材料，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| wikipedia.org

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、诺基亚的朋友们应该记得，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。首先第一次充电要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。

图片出自电视剧《三国演义》

为此镍电池没少受埋怨，这手机后勤官做得非常委屈，但说到底这还真得怨它。之所以这么多毛病，是因为充放电不完全的镍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。

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]

在镍电池时代，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。

碱性电池、铅酸电池、镍电池三结义

上一节我们说爱迪生正在研究一个基于“视觉暂留效应”的连续显示照片的装置，后来它研究出来了，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”，这种电池的正负极还是用镍、铁，但里面的电解液却用了碱溶液，这次是真的“换汤不换料”了。他用这种电池做车辆动力的试验，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|图片出自三国演义

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（顾名思义，就是正负极用铅，电解液是酸性溶液），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。

图片源自网络：https://sh.58.com

易燃易爆炸的“锦鲤”——锂电池

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”。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|图片来自电影《超能陆战队》

当然，锂电池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！”。

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！

任劳任怨的电源管理芯片

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？就是通过电路设计，使器件有这两个特点：低功耗和高效能。这好理解，就是希望它吃的比鸡少，干的比狗多。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，这可把我们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！|图片出自漫威电影

那电源管理芯片都分哪些类别？其实就是接口保护电路和电压调整两类而已。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

**1.**多种多样的接口

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|https://zhidao.baidu.com

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。

**2.**复杂的稳压器

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。

图片来自网络|https://b2b.hc360.com

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]

图片自制

图片自制

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。

资料图|https://finance.qq.com

飞速发展的中国IC产业

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|图片来自百度百科

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]

IC设计销售变化图|图片来自清华大学 魏少军教授

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