出品：科普中國

製作：蘇濤

監製：中國科學院計算機網絡信息中心

《三國演義》第十七回，曹操討伐袁術，途中糧草不足，衆將士都餓得哇哇叫，開始軍心不穩。這時曹奸雄把糧倉官王垕叫來，說出了那句著名的“汝妻子吾養之，汝勿慮也”，然後藉口王垕“貪污糧草”，把他當衆處死，一下子安定了軍心。[1]

可憐那王垕勤勤懇懇，謹小慎微，不料人在帳中坐，鍋從天上來，稀裏糊塗的就命喪黃泉。由此可見，管後勤從來就不是件容易的事兒，事務瑣碎繁雜不說，出了問題第一個倒黴的就是你。

圖片出自電視劇《三國演義》

而如今的電子設備如手機，供電的電源模塊就像這費力不討好的後勤官。雖然兢兢業業地爲主人服務，卻時不時要受人埋怨，無論你用蘋果、三星還是華爲、小米，人們換手機的理由總是"電池不行了、耗電太快了..." 今天筆者就來講講，爲啥always電池背鍋？

意外出生還難養活的“祖宗”——鎳電池

1890年，大發明家愛迪生(Thomas Edison)試圖發明一種連續顯示照片的裝置，可研究的腦殼疼也沒進展，於是他決定換換腦子，找個容易的東西研究一下。於是，他選的是蓄電池，研究的方法也很簡單，就是“換料不換湯”。嗯，更學術的表達是：通過不斷更換蓄電池的正負極材料，獲得充放電效率最好的材料，結果可充電的鐵鎳電池就這麼誕生了。[2]也許這只是他一生中兩千多項發明裏，極爲普通的一項，卻對後世的我們產生了巨大影響。

誰都不愛的愛迪生| wikipedia.org

鐵鎳電池是什麼鬼玩意？它其實是早期手機電池的祖宗，早年用過小靈通、諾基亞的朋友們應該記得，那會兒手機有多麻煩。（就因爲它們是鎳合金電池）以前手機新買回來，充電一定要耐心。首先第一次充電要24小時以上，此所謂三顧茅廬；其次充足電一定不能放着不用，否則會破壞壽命；且儘量在電量用完後再充電，此所謂鞠躬盡瘁；最後充電不能充太久，否則就要英年早逝。哎我說，你這手機比老婆還難伺候啊。

圖片出自電視劇《三國演義》

爲此鎳電池沒少受埋怨，這手機後勤官做得非常委屈，但說到底這還真得怨它。之所以這麼多毛病，是因爲充放電不完全的鎳電池會產生一種被稱爲“週期記憶”的現象，指的是電池中會形成晶體，使得自放電速率一次次增大。就是說這鎳電池會記住自己活了多久，而且年紀越大越不成器，簡直就是孔融口中“小時了了，大未必佳”的那老哥，一把年紀活到狗身上去了。

更可怕的是，耗電快就算了有些鎳電池還有毒（說的就是你，鎳鎘電池）。而沒毒的鎳氫電池卻性能差不說，還可能“中道崩殂”。

用到一半就不好使的鎳氫電池[3]

在鎳電池時代，如果這電池是個人，估計很多用戶都想說句“汝妻子吾養之”，然後把它給宰了，真是太氣人了。

鹼性電池、鉛酸電池、鎳電池三結義

上一節我們說愛迪生正在研究一個基於“視覺暫留效應”的連續顯示照片的裝置，後來它研究出來了，現在人們管它叫“電影”。這件事做完之後，愛大發明家閒下來了，於是又着手研究新的電池。[4]

1902年，愛迪生髮明瞭“鹼性電池”，這種電池的正負極還是用鎳、鐵，但裏面的電解液卻用了鹼溶液，這次是真的“換湯不換料”了。他用這種電池做車輛動力的試驗，每充一次電，行程可達100英里，真是非常持久呢。加上之前早就出現的鉛酸電池和上文提到的鎳合金電池，至此電池屆的“三巨頭”終於出現了。

我鹼性電池，我鉛酸電池，我鎳電池，在此結義，不求同年同月生，但求。。。你倆先死|圖片出自三國演義

三巨頭斬雞頭、燒黃紙、歃血爲盟，決定日後三分電池屆的天下。恰好三者優缺互補，各有各自的應用領域。其中，鹼性電池保質期長，但是循環壽命短、能量密度低，適用於放電量不大、需長時間使用的地方；而鉛酸電池（顧名思義，就是正負極用鉛，電解液是酸性溶液），較便宜且輸出功率大，但是體積太大，常用於汽車行業；最後，我們之前說的鎳電池由於其特性，一般用於手持設備比如手機。

圖片源自網絡：https://sh.58.com

易燃易爆炸的“錦鯉”——鋰電池

本來地盤劃分的好好的，三基友開開心心過着日子，不料半路殺出個程咬金。1990年日本索尼公司開發出戰鬥力爆表的鋰電池，它不僅沒有令人討厭的記憶效應，而且能量密度很高使用壽命也很長，這簡直就是人見人愛的“錦鋰”。鋰電池的出現迅速取代了鎳電池的江湖地位，一個可見的變化在於，手機、筆記本等便攜式電子設備的重量和體積大大減小。

瘦身成功的手持電子設備|圖片來自電影《超能陸戰隊》

當然，鋰電池也並不是沒有缺點的。它的充放電電壓最好能在2.4V~4.2V之間，一旦偏離就容易燃燒爆炸，所以歌手陳粒的“易燃易爆炸”完全可以改名兒叫“我，鋰電池！”。

這也是爲什麼安檢時要求拿出來手機、筆記本，容量大的充電寶不讓帶上飛機，以及爸媽不讓小朋友和不懂事的大人瞎玩手機電池的原因，真的會炸！

任勞任怨的電源管理芯片

正因爲鋰電池“脾氣暴躁”，需要嚴格管控其工作電壓；且電子設備各個部分電壓需求不同，需要精確按需分配，所以電源管理芯片應運而生。

如果說電池是電源後勤官的糧草，那麼電源管理芯片就是它的左膀右臂，它們負責將糧草（電能）有效分配給設備中的不同組件。對於我們的第六器官--手機來說，沒多少糧草（電池體積小）卻有不少活幹（衣食住行全靠它），電源管理芯片的作用就顯得極爲重要，優秀的電源管理芯片能將續航時間，電池壽命大大提高。

什麼是優秀電源管理芯片呢？就是通過電路設計，使器件有這兩個特點：低功耗和高效能。這好理解，就是希望它喫的比雞少，乾的比狗多。這如何實現呢，就要靠我們的集成電路設計師了。這兩點要求看着容易，做起來可難，需要綜合考量功耗、性能、響應速度、噪聲等一系列參數，這可把我們IC設計師愁壞了。因此在業界一直有一個說法，如何區分一個IC設計師的水平？看髮量！

未在深夜裏苦思脫髮的ICer，不足以談人生！|圖片出自漫威電影

那電源管理芯片都分哪些類別？其實就是接口保護電路和電壓調整兩類而已。他們就好像我們身邊的軍人和警察，一個負責保護我們不受外敵侵擾，另一個負責內部的穩定。

兩種類別均僅列出主流常用的種類

1.多種多樣的接口

接口大家應該比較熟悉，特別是那些經常忘帶充電器，需要找人借的小夥伴。而接口保護電路，就是在你把接口插斜了、插反了的時候對接口進行保護。

以手機充電接口爲例，現在市面上比較主流的有三種，華爲等廠家採用的USB-C接口、三星等用的Micro USB接口以及蘋果的Lightning接口。

三大接口圖及無所不在的接口|https://zhidao.baidu.com

從圖中可以看到，三者各有特點，目前市場上佔比最大的是Micro USB接口，除手機外，很多便攜式電子設備都用了這種接口。不過，這種接口有個很大的問題，就是其存在正反面差異，經常讓用戶很頭疼。

而USB-C口因爲無正反面，支持USB接口雙面插入，正式解決了“USB永遠插不準”的世界性難題，想必早晚會一統接口界。據說蘋果都打算放棄Lightning，加入USB-C陣營了。

2.複雜的穩壓器

而說到電壓調整類，這個比較難理解，我以線性穩壓器（Low Dropout Regulator ，LDO）爲例，給大家介紹一下。其核心器件其實就是一個功率管，大概長這樣。

圖片來自網絡|https://b2b.hc360.com

但在設計中，我們希望它：

1.能不受溫度變化影響（溫漂小）；

2.“飄了”、“膨脹了”能自己脈動回來（負反饋）；

3.能在電流過大、電壓過大的時候自己保護自己（過流保護）；

4.在不用的時候，我們希望它有很長的待機時間（很小的靜態電流）。

這只是需求中最簡單部分，此外還有電源抑制比，環路穩定性，噪聲等等一大堆需求。因此我們需要設計出的各種各樣的模塊，滿足客戶的各種奇葩需求。這樣一個簡單的LDO，被越做越大，模塊越做越複雜，晶體管的數量越做越多。最後一個小東西，變成一個大工程。[5]

圖片自制

圖片自制

LDO原理圖和一個版圖實例

而這僅僅是芯片設計環節，之後還有晶圓製造以及封裝測試等環節，裏面的門門道道更是深不見底。從這裏可以看出，芯片製造業分支之細，製造過程之難，所以很多時候當鍵盤俠說我們搞半導體的都是喫乾飯的，我想把下圖送給他們。

資料圖|https://finance.qq.com

飛速發展的中國IC產業

我們紅火的互聯網包括移動互聯網，其實是建立在各種芯片組成的硬件的基礎上；而硬件又受材料科學限制，比如從鎳電池到鋰電池；材料科學又受限於基礎學科的進步。在學校，經常有人說研究基礎學科，如物理、化學是大坑，其實不然。這些基礎學科都是高科技製造業的地基，如果地基不牢，我們是無法將大廈蓋高的。

而可喜的趨勢在於，我國正不斷加大經費投入，用於基礎學科的突破。比如投資建設了預算超過300億的環形正負電子對撞機（Circular Electron Positron Collider ，CEPC），致力於探索粒子物理學的高峯，挖掘出標準模型背後的物理定律。[6]

電子對撞機|圖片來自百度百科

不僅如此，目前計算機、通信和其他電子設備製造業也已成爲我國目前投入最高的產業。從2014年開始，我國成立了集成電路大基金，大力扶持芯片行業，各地爭相建立集成電路基地，給芯片企業大開綠燈。在這種情況下，IC設計全行業銷售額逐年穩步上漲，在全球集成電路設計業的佔比也不斷提高。[7]

IC設計銷售變化圖|圖片來自清華大學 魏少軍教授

這也迅速帶動了從業人員薪資的增長，今年集成電路芯片設計公司的校招研發崗位，待遇相比去年明顯提高，甚至很多地方出現薪資倒掛的現象（就是校招工資比從業者還高。）

部分IC設計公司薪資待遇一覽表

在這種高投入高激勵下，低端芯片領域上國內已近迎頭趕上，而高端芯片也在步步前進，相信中國芯片產業的崛起只是時間問題，哪怕再過三年，情況都可能大不一樣。

做電源後勤管理，不是份容易的好差事，做芯片更不是，但我們不會放棄，中國芯片加油！中國加油！

參考資料：

[1].三國演義，羅貫中

[2].電化學原理，李荻

[3].模擬集成電路設計——以LDO設計爲例，[美]林康-莫萊

[4].基於視覺暫留效應的漂浮廣告應用性研究，蘇濤 孫龍天 滕南軍 王健

[5].電源管理芯片的分析與設計，劉欣

[6].環形正負電子對撞機土建及通用系統配套工程諮詢招標公告. 中國科學院高能物理研究所．2016-01-13

[7].迎接設計業的難得發展機遇，魏少軍