你真的懂电源？

《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]

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。

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 和 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 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

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！