當今科(ke)技(ji)所需求的手機電(dian)(dian)池除了要能(neng)夠(gou)長時間供應穩定(ding)電(dian)(dian)源(yuan)外,體積小(xiao)重量輕(qing)也是關(guan)鍵。縮小(xiao)電(dian)(dian)路板面(mian)積、增長供電(dian)(dian)時間與減少(shao)成本該如何畢其功(gong)于一(yi)役？將眾多電(dian)(dian)源(yuan)管理組件整合在單一(yi)芯(xin)片上將是解決(jue)問題的最好途(tu)徑。

    早期的(de)(de)(de)行(xing)動(dong)電(dian)(dian)(dian)話(hua)不是(shi)(shi)體積笨重龐大,就是(shi)(shi)必須受到(dao)汽車(che)電(dian)(dian)(dian)池的(de)(de)(de)束縛,但經過長時間的(de)(de)(de)發展,今天的(de)(de)(de)行(xing)動(dong)電(dian)(dian)(dian)話(hua)已變得非常(chang)輕巧(qiao),除了電(dian)(dian)(dian)話(hua)功能,它(ta)(ta)(ta)們還(huan)會做許多事。新型3.xG智(zhi)能型手機(ji)把傳統的(de)(de)(de)2G行(xing)動(dong)電(dian)(dian)(dian)話(hua)和(he)多種其它(ta)(ta)(ta)功能結合在一起,包括PDA、數字相(xiang)機(ji)、音(yin)樂(le)播放機(ji)（MP3）以及全球定位系統（GPS）。如(ru)此多元(yuan)的(de)(de)(de)功能需(xu)(xu)(xu)要許多零件,其中(zhong)絕大多數的(de)(de)(de)電(dian)(dian)(dian)源(yuan)電(dian)(dian)(dian)壓并(bing)不相(xiang)同(tong),電(dian)(dian)(dian)流需(xu)(xu)(xu)求(qiu)則不斷增(zeng)加,使得它(ta)(ta)(ta)們需(xu)(xu)(xu)要更多電(dian)(dian)(dian)力(li)。(圖一)是(shi)(shi)從2G語音(yin)電(dian)(dian)(dian)話(hua)升級到(dao)3G視訊電(dian)(dian)(dian)話(hua)后,功率需(xu)(xu)(xu)求(qiu)增(zeng)加的(de)(de)(de)估計值。

 

 

    圖(tu)一功耗值

    在(zai)此同時,消費者(zhe)卻想要更(geng)精(jing)巧(qiao)的(de)手機(ji)。本(ben)文介(jie)紹兩種電(dian)(dian)源(yuan)(yuan)管(guan)理系統,它們(men)可以(yi)協助智能型手機(ji)設計人員(yuan)在(zai)彼此沖(chong)突的(de)目標(biao)間取(qu)得平(ping)(ping)衡,例如將(jiang)封裝(zhuang)減至最小,同時支持更(geng)大(da)的(de)功率需求(qiu);實現(xian)最佳效率,讓電(dian)(dian)池(chi)提供(gong)最長的(de)使用時間;以(yi)及將(jiang)電(dian)(dian)源(yuan)(yuan)噪(zao)聲和漣波降至可接受水平(ping)(ping),以(yi)支持新世代的(de)行動(dong)電(dian)(dian)話。

    選擇電池

    選擇充電電池是電源管理系統設計的首要工作之一,鎳氫電池和鋰離子電池則是目前僅有的(de)兩種(zhong)實際選擇。鋰(li)(li)離(li)子電(dian)池(chi)(chi)的(de)單位體積(ji)(ji)蓄(xu)電(dian)量(liang)(liang)為270～300Wh/l,單位重量(liang)(liang)蓄(xu)電(dian)量(liang)(liang)為110～130Wh/kg,都高(gao)(gao)于鎳氫電(dian)池(chi)(chi)的(de)220～300Wh/l以及75～100Wh/kg,因此在同樣蓄(xu)電(dian)量(liang)(liang)下,鋰(li)(li)離(li)子電(dian)池(chi)(chi)的(de)體積(ji)(ji)和重量(liang)(liang)都小(xiao)于鎳氫電(dian)池(chi)(chi);另外,鋰(li)(li)離(li)子電(dian)池(chi)(chi)的(de)3.6V工作電(dian)壓也高(gao)(gao)于鎳氫電(dian)池(chi)(chi)的(de)1.2V。

    行(xing)動電話(hua)的(de)(de)多(duo)數功耗都來自(zi)于1.2V和3.3V電源,要讓(rang)交換(huan)式電源轉(zhuan)換(huan)器發揮最大工(gong)作效率,較(jiao)有效的(de)(de)方(fang)法通常(chang)是(shi)(shi)從(cong)高(gao)電壓轉(zhuan)換(huan)至低電壓,而不是(shi)(shi)從(cong)低電壓轉(zhuan)換(huan)至高(gao)電壓,因此鋰離(li)子電池是(shi)(shi)最佳選擇(ze)。

    要讓充電電池提供最長使用時間,適當的電池管理和控制就顯得格外重要。電池管理包含三個部份：充電控制、電池監視和電池保護。從使用外接導通組件的線性控制器開始,到內建開關組件且效率更高的交換式控制器,充電控制組件已有長足進步。電池充電器必須處理500mA到1500mA范圍內的電流,以便提供快速的充電周期(qi)時間。

    電(dian)池(chi)(chi)監(jian)視(shi)和(he)保護(hu)組(zu)(zu)件(jian)通常都與電(dian)池(chi)(chi)封裝在一起,電(dian)池(chi)(chi)監(jian)視(shi)組(zu)(zu)件(jian)可以(yi)是簡單(dan)的「電(dian)荷計量器」（coulombcounter）,由中央處理(li)器負責計算電(dian)池(chi)(chi)剩(sheng)(sheng)余電(dian)力;也(ye)可以(yi)是內建微(wei)控制器的電(dian)池(chi)(chi)電(dian)力量測(ce)組(zu)(zu)件(jian)（gasgauge）,由它透(tou)過DSP與處理(li)器之間的簡單(dan)界面,直接(jie)提供剩(sheng)(sheng)余電(dian)力、剩(sheng)(sheng)余供電(dian)時間、電(dian)池(chi)(chi)電(dian)壓、溫度(du)和(he)平(ping)均電(dian)流量測(ce)值等資(zi)料。

    電源(yuan)拓(tuo)樸

    接著,設計工程(cheng)師必須決定(ding)電源(yuan)(yuan)轉換(huan)組件(jian)的種類,它或(huo)許是(shi)(shi)(shi)以(yi)電感(gan)為基(ji)礎、并且(qie)內建FET開關的交換(huan)式(shi)電源(yuan)(yuan)轉換(huan)器、無(wu)電感(gan)的交換(huan)式(shi)電源(yuan)(yuan)轉換(huan)器（電荷泵(beng)浦(pu)）或(huo)是(shi)(shi)(shi)線(xian)性(xing)穩(wen)(wen)壓器。這些轉換(huan)器各有(you)其優點。就效(xiao)(xiao)率而言,以(yi)電感(gan)為基(ji)礎的轉換(huan)器擁有(you)最高(gao)的整體效(xiao)(xiao)率,其次是(shi)(shi)(shi)電荷泵(beng)浦(pu),最后(hou)才(cai)是(shi)(shi)(shi)線(xian)性(xing)穩(wen)(wen)壓器。成本(ben)通常反比于效(xiao)(xiao)率,因此線(xian)性(xing)穩(wen)(wen)壓器成本(ben)最低(di),然后(hou)是(shi)(shi)(shi)電荷泵(beng)浦(pu),最后(hou)則是(shi)(shi)(shi)以(yi)電感(gan)為基(ji)礎的轉換(huan)器。

  線(xian)性穩壓(ya)器沒(mei)有(you)(you)輸出漣(lian)波,電(dian)(dian)荷泵浦有(you)(you)一些輸出漣(lian)波,交(jiao)換式(shi)穩壓(ya)器的(de)輸出漣(lian)波則在三者之(zhi)間(jian)最(zui)高。就整個解(jie)決方案的(de)體(ti)積來(lai)看,線(xian)性穩壓(ya)器的(de)體(ti)積最(zui)小,通(tong)常只(zhi)需輸入和輸出電(dian)(dian)容,電(dian)(dian)荷泵浦除了(le)輸入和輸出電(dian)(dian)容外,還需一顆或兩顆「飛馳」（flying）電(dian)(dian)容,交(jiao)換式(shi)穩壓(ya)器則需要電(dian)(dian)感器,因此(ci)其封裝(zhuang)體(ti)積會(hui)有(you)(you)很大(da)差異。

    無論DSP或(huo)模(mo)(mo)擬(ni)數(shu)字(zi)轉換(huan)器(qi)等(deng)(deng)數(shu)字(zi)零件,或(huo)是電(dian)源管理(li)系(xi)統等(deng)(deng)模(mo)(mo)擬(ni)零件,2G電(dian)話幾乎不提(ti)供任(ren)何(he)的功能(neng)整合(he),系(xi)統設計人員在發(fa)展電(dian)源管理(li)系(xi)統時,通常會(hui)以成本(ben)和體積為優先考慮,而不是轉換(huan)效率。線性穩(wen)壓(ya)(ya)器(qi)只能(neng)將輸入(ru)電(dian)壓(ya)(ya)轉換(huan)成更低的輸出電(dian)壓(ya)(ya),因此(ci)電(dian)池電(dian)壓(ya)(ya)必須高于3.3V,此(ci)時可利用低電(dian)流(liu)或(huo)中電(dian)流(liu)的線性穩(wen)壓(ya)(ya)器(qi)進行電(dian)壓(ya)(ya)轉換(huan),以便提(ti)供電(dian)力(li)給至2.8V范圍內的其它電(dian)源需求(qiu)。

    在3G芯片組中,基頻處(chu)理(li)(li)器現(xian)已包(bao)含DSP、微處(chu)理(li)(li)器／微控制(zhi)器、模(mo)擬(ni)數字(zi)轉(zhuan)換(huan)(huan)器和數字(zi)模(mo)擬(ni)轉(zhuan)換(huan)(huan)器,用(yong)來控制(zhi)射(she)頻訊號和音頻訊號處(chu)理(li)(li)。這顆處(chu)理(li)(li)器的核心電(dian)(dian)(dian)壓已降至(zhi)1.2V或是更低,I/O和外圍電(dian)(dian)(dian)壓也開始減少至(zhi)2.5V至(zhi)3.0V范圍;由于3.xG電(dian)(dian)(dian)話的電(dian)(dian)(dian)流需求(qiu)通常都超(chao)過(guo)2.G電(dian)(dian)(dian)話,3.xG設計(ji)人員(yuan)需要(yao)效率高于線(xian)性穩(wen)壓器的直(zhi)流電(dian)(dian)(dian)源(yuan)轉(zhuan)換(huan)(huan)器,以便提(ti)供更長的電(dian)(dian)(dian)池使用(yong)時間。為進一(yi)步延(yan)長電(dian)(dian)(dian)池壽命,許多設計(ji)人員(yuan)必須(xu)盡量利用(yong)鋰離子電(dian)(dian)(dian)池電(dian)(dian)(dian)力,直(zhi)到(dao)其電(dian)(dian)(dian)壓降至(zhi)最小值為止;在此過(guo)程中,如何產生(sheng)3.3V電(dian)(dian)(dian)壓就變(bian)成一(yi)項(xiang)挑戰。

    從表(biao)面上來看,設計人員若(ruo)能繼(ji)續(xu)使(shi)用電(dian)池(chi)直到2.7V,并利用正電(dian)源(yuan)降壓―升(sheng)壓轉(zhuan)換(huan)器或是(shi)SEPIC轉(zhuan)換(huan)器提供3.3V電(dian)源(yuan),可攜式裝置(zhi)的(de)電(dian)池(chi)壽命就會大幅延長,但(dan)是(shi)根據(表(biao)一)針對600mAh電(dian)池(chi)所做的(de)簡單分析(xi)可發現情形并非如(ru)此,因為無論(lun)是(shi)采用效率更高(gao)的(de)降壓轉(zhuan)換(huan)器,并將電(dian)池(chi)使(shi)用到3.3V,或是(shi)采用SEPIC之類(lei)的(de)轉(zhuan)換(huan)器,并將電(dian)池(chi)電(dian)力完全用盡,這兩種方式的(de)供電(dian)時(shi)間幾乎沒有任何(he)區別。

    

 

    表(biao)一60mAh電池分析(xi)

    除(chu)此之外,無論(lun)是(shi)(shi)使(shi)(shi)用(yong)兩顆電(dian)(dian)感的(de)(de)(de)(de)SEPIC轉換(huan)器(qi),或(huo)是(shi)(shi)某些(xie)效率更(geng)高的(de)(de)(de)(de)新型正電(dian)(dian)源降壓(ya)―升壓(ya)轉換(huan)器(qi),它們(men)的(de)(de)(de)(de)成本都(dou)更(geng)高,因此在做整體評估時(shi),只使(shi)(shi)用(yong)3.3V以(yi)上的(de)(de)(de)(de)電(dian)(dian)池電(dian)(dian)力,然后利用(yong)高效率交換(huan)式電(dian)(dian)源轉換(huan)器(qi)提(ti)供3.3V電(dian)(dian)源的(de)(de)(de)(de)方法不但更(geng)有效率,還可(ke)能是(shi)(shi)更(geng)具(ju)吸(xi)引力的(de)(de)(de)(de)選擇。以(yi)下介紹的(de)(de)(de)(de)離散解決方案(an)就是(shi)(shi)使(shi)(shi)用(yong)降壓(ya)轉換(huan)器(qi)提(ti)供3.3V電(dian)(dian)源,整合式解決方案(an)則(ze)采用(yong)SEPIC轉換(huan)器(qi)。

   系統概述

    不同(tong)的(de)(de)智能(neng)型手機零(ling)件有(you)著不同(tong)的(de)(de)電源(yuan)(yuan)(yuan)需求,(圖二(er))是(shi)行動電話中需要(yao)電源(yuan)(yuan)(yuan)的(de)(de)主(zhu)要(yao)零(ling)件簡單(dan)方(fang)塊圖,例如(ru)射頻單(dan)元的(de)(de)壓控振蕩(dang)器（VCO）以(yi)及鎖相回路(lu)（PLL）就需要(yao)極低噪聲(sheng)和很高電源(yuan)(yuan)(yuan)拒斥比(bi)的(de)(de)電源(yuan)(yuan)(yuan),確保它們(men)提供(gong)最高的(de)(de)傳送和接收效能(neng),因此雖然(ran)線性穩壓器的(de)(de)效率不高,但由于(yu)它沒有(you)輸(shu)出漣波,所以(yi)是(shi)這類電源(yuan)(yuan)(yuan)供(gong)應(ying)的(de)(de)最佳(jia)選擇;同(tong)樣重要(yao)的(de)(de)是(shi)將直流轉(zhuan)換器的(de)(de)開關頻率,還(huan)有(you)它們(men)的(de)(de)二(er)階和三(san)階諧波,都保持(chi)在(zai)中頻頻帶之外。

    由于DSP和中(zhong)央處理(li)器(qi)的(de)核心電(dian)(dian)壓(ya)已(yi)降至1V左右,以電(dian)(dian)感為基(ji)礎的(de)高效率交換(huan)式降壓(ya)轉(zhuan)(zhuan)換(huan)器(qi)是(shi)理(li)想選擇。至于屏幕(mu)背光(guang)照明所使用的(de)白光(guang)二極(ji)管,其電(dian)(dian)源(yuan)可來(lai)自(zi)電(dian)(dian)荷泵浦或電(dian)(dian)感式升(sheng)壓(ya)／降壓(ya)轉(zhuan)(zhuan)換(huan)器(qi)。

    圖(tu)(tu)二(er)智能型手機電源方塊(kuai)圖(tu)(tu)

    動態電壓調整(zheng)（DynamicVoltageScaling）

    從圖一可看出,電源(yuan)需(xu)求最高的(de)兩顆零(ling)件是(shi)在(zai)射頻(pin)單元,分別是(shi)發射機的(de)功(gong)率(lv)放(fang)大(da)器(qi)(qi)和基(ji)頻(pin)處理器(qi)(qi)。隨著電話(hua)與基(ji)地臺之(zhi)間的(de)距離不同,功(gong)率(lv)放(fang)大(da)器(qi)(qi)在(zai)通(tong)話(hua)過程中最多消(xiao)耗(hao)75％的(de)總功(gong)耗(hao),待命模式則(ze)只有(you)30％。采(cai)用非線性功(gong)率(lv)放(fang)大(da)器(qi)(qi)的(de)舊(jiu)型GSM電話(hua)發射機的(de)典(dian)型工(gong)作(zuo)效率(lv)約為50％,但是(shi)WCDMA等較新(xin)標準卻(que)同時(shi)需(xu)要(yao)振幅及相位調變,這只有(you)工(gong)作(zuo)效率(lv)在(zai)25％至35％之(zhi)間的(de)線性放(fang)大(da)器(qi)(qi)可以提供。

    除(chu)此(ci)之外,CDMA20001x手(shou)機的正常基頻(pin)處(chu)理器(qi)負載(zai)需求(qiu)是在60至120mA范圍(wei),因此(ci)提(ti)供最有效率的電(dian)源給功(gong)率放(fang)大器(qi)和處(chu)理器(qi)就顯得極為重(zhong)要(yao)。

    動態／可適(shi)性電(dian)壓調整(zheng)技(ji)術(shu)（DVS/AVS）與(yu)高整(zheng)合度組件所使用的(de)(de)方式很類似,它(ta)(ta)會把閉回路系統中的(de)(de)處理器(qi)和穩壓器(qi)連結在(zai)一(yi)起,并在(zai)確保系統正常工(gong)(gong)作的(de)(de)情形下(xia),將數字電(dian)源供(gong)應的(de)(de)輸(shu)出電(dian)壓動態調整(zheng)至最(zui)小值。功(gong)率(lv)(lv)放大(da)器(qi)會被最(zui)佳(jia)化(hua),使它(ta)(ta)在(zai)最(zui)大(da)傳(chuan)送功(gong)率(lv)(lv)下(xia)擁有最(zui)高效(xiao)率(lv)(lv)。由于絕(jue)大(da)多數手機都在(zai)基(ji)地臺附(fu)近工(gong)(gong)作,手機的(de)(de)無線電(dian)功(gong)能會在(zai)維持通訊質(zhi)量(liang)的(de)(de)前題下(xia),將傳(chuan)送功(gong)率(lv)(lv)降至最(zui)低水(shui)平。當功(gong)率(lv)(lv)放大(da)器(qi)在(zai)較低的(de)(de)功(gong)率(lv)(lv)水(shui)平下(xia)工(gong)(gong)作時(shi),它(ta)(ta)的(de)(de)效(xiao)率(lv)(lv)會受到影響(xiang),從(圖三)可以(yi)看(kan)出,利用動態電(dian)壓調整(zheng)技(ji)術(shu)來調整(zheng)功(gong)率(lv)(lv)放大(da)器(qi)的(de)(de)電(dian)壓,它(ta)(ta)的(de)(de)工(gong)(gong)作效(xiao)率(lv)(lv)會增加10％至20％。

 

    圖三功率放大器效率

    數(shu)字處(chu)理器的(de)功(gong)耗正(zheng)比于電壓平方,因此(ci)中(zhong)央處(chu)理器也能(neng)(neng)采(cai)用動態(tai)電壓調整(zheng)技術(shu);當中(zhong)央處(chu)理器進入(ru)待命模式或其它功(gong)能(neng)(neng)精簡模式,它就(jiu)能(neng)(neng)在較低的(de)頻(pin)率頻(pin)率下工作,此(ci)時可將處(chu)理器電壓降低,以便減少功(gong)耗,提升工作效率,延長電池壽命。

    就以(yi)OMAP1510為(wei)例,假設(she)它的電(dian)源(yuan)是由TPS62200供(gong)應,并(bing)使用1安(an)培小時的3.6V鋰離子電(dian)池輸入,其(qi)它特性(xing)包括：

    ●睡眠模式（TPS62200采用(yong)PFM調變）未用(yong)動態(tai)電壓調整：Vout=1.5V@300μA;效率=93％

    ●正(zheng)常工作(zuo)模(mo)式（TPS62200采用PWM調變）：Vout=1.5V@100mA;效率=96％

    假設此組件95％時間處于(yu)睡(shui)眠(mian)模(mo)式,5％時間處于(yu)正常工(gong)作模(mo)式,則從輸出功(gong)率與時間的關系圖(tu)可看出,將動態電壓調整(zheng)技術用于(yu)睡(shui)眠(mian)模(mo)式,電池壽命會最多延(yan)長9個(ge)小時。

離散解決方案

    (圖四)是利用離(li)散組件實作的電源管理(li)系統,電池電壓(ya)限制(zhi)為3.3V。

    圖(tu)四(si)利用(yong)離散組件實作(zuo)的(de)電(dian)源管(guan)理系統

    在這個解決方(fang)案中(zhong),就算鋰離子電池(chi)下降(jiang)至3.3V左(zuo)右,在100％負載周期模式下工作的(de)(de)高效率(lv)TPS62200降(jiang)壓(ya)轉(zhuan)換(huan)器(qi)仍能提供3.3V的(de)(de)I/O電壓(ya)。上(shang)述(shu)所有零(ling)件(jian)都采(cai)用(yong)SOT-23封裝,除了bq24020電池(chi)充電組(zu)(zu)件(jian)、TPS61020升壓(ya)轉(zhuan)換(huan)器(qi)以(yi)及TPS61042白光二(er)極管(guan)驅(qu)動組(zu)(zu)件(jian)之外,它們是采(cai)用(yong)3×3平(ping)方(fang)厘米的(de)(de)QFN封裝。TPS61040和(he)TPS61042還內建(jian)上(shang)端FET晶(jing)體(ti)管(guan),每顆組(zu)(zu)件(jian)只(zhi)需要一個外接二(er)極管(guan)。bq24020、TPS622xx、TPS61020和(he)線性穩壓(ya)器(qi)組(zu)(zu)件(jian)全都內建(jian)FET晶(jing)體(ti)管(guan),功率(lv)放大器(qi)和(he)中(zhong)央處理器(qi)電源采(cai)用(yong)的(de)(de)動態電壓(ya)調整(zheng)技術可以(yi)提高每顆零(ling)件(jian)的(de)(de)效率(lv),進(jin)而協助降(jiang)低功耗。

    整合解決方(fang)案

    最新(xin)制程技術使得工程師更容易結合(he)、迅速修改(gai)以(yi)及／或是(shi)利用(yong)現有的(de)離散組(zu)件(jian)(jian)設計,以(yi)便(bian)提供(gong)不(bu)同整合(he)程度的(de)半導(dao)體(ti)芯(xin)片,例(li)如通(tong)用(yong)的(de)雙通(tong)道交(jiao)換式轉(zhuan)換器(qi)和電(dian)(dian)源(yuan)拒斥比很高而(er)噪聲很低的(de)雙信道線性穩(wen)壓(ya)器(qi)、特(te)殊應(ying)用(yong)白光(guang)二(er)極管(guan)的(de)電(dian)(dian)源(yuan)供(gong)應(ying)以(yi)及行動(dong)(dong)電(dian)(dian)話、PDA和數字相機的(de)多(duo)電(dian)(dian)源(yuan)管(guan)理解(jie)決(jue)方(fang)案,這些產品都(dou)已開始供(gong)應(ying)。專門(men)支(zhi)持(chi)終端設備(bei)的(de)電(dian)(dian)源(yuan)組(zu)件(jian)(jian)則會內(nei)建各種外圍,其范圍從行動(dong)(dong)電(dian)(dian)話的(de)響鈴器(qi)和蜂鳴器(qi)到PDA的(de)通(tong)用(yong)I/O接(jie)腳,例(li)如圖四整合(he)解(jie)決(jue)方(fang)案所使用(yong)的(de)TPS65010就(jiu)是(shi)這類組(zu)件(jian)(jian)。

 

    圖(tu)五整合式解(jie)決方(fang)案

    在此解決方案中,3.3VI/O電源是由SEPIC轉換器提供,它讓應用系統能充份利用鋰離子電池電(dian)(dian)(dian)力(li),直(zhi)到(dao)電(dian)(dian)(dian)池(chi)電(dian)(dian)(dian)壓(ya)降至最低水平（大(da)(da)約2.7V）。和(he)離散解決(jue)方(fang)(fang)案一樣,穩壓(ya)器(qi)(qi)輸出(chu)也來自3.3V輸入電(dian)(dian)(dian)源,以(yi)(yi)便提高(gao)(gao)工作效(xiao)率。TPS65010采(cai)用(yong)(yong)(yong)48只接腳QFN封裝,這些組件都內(nei)建FET晶體管。TPS61130SEPIC轉換器(qi)(qi)采(cai)用(yong)(yong)(yong)4×4平方(fang)(fang)厘米QFN封裝,并(bing)且內(nei)建FET晶體管,最高(gao)(gao)達到(dao)90％以(yi)(yi)上效(xiao)率,TPS5100則(ze)是三通道輸出(chu)控制器(qi)(qi),專門用(yong)(yong)(yong)來提供電(dian)(dian)(dian)源給顯示器(qi)(qi)。功率放大(da)(da)器(qi)(qi)和(he)中央(yang)處理器(qi)(qi)電(dian)(dian)(dian)源使用(yong)(yong)(yong)的動態電(dian)(dian)(dian)壓(ya)調整技(ji)術可以(yi)(yi)改善(shan)每(mei)顆零(ling)件的效(xiao)率,進而協助降低功耗(hao)。

    離散(san)或整合？

    如何在離(li)(li)(li)散(san)或整(zheng)合解決(jue)方案之間(jian)(jian)(jian)做(zuo)出(chu)抉擇？一般說來,整(zheng)合組件(jian)(jian)的(de)(de)(de)成本會低于同樣(yang)等級的(de)(de)(de)多(duo)顆離(li)(li)(li)散(san)零件(jian)(jian);除(chu)此之外(wai),如同(圖六(liu))的(de)(de)(de)電路(lu)板布局所示,相較于執行同樣(yang)功能的(de)(de)(de)多(duo)顆離(li)(li)(li)散(san)零件(jian)(jian),TPS65010以(yi)及與(yu)其(qi)搭配的(de)(de)(de)被動(dong)零件(jian)(jian)只(zhi)需(xu)較少的(de)(de)(de)電路(lu)板空間(jian)(jian)(jian),這(zhe)主要是因為離(li)(li)(li)散(san)零件(jian)(jian)之間(jian)(jian)(jian)需(xu)要額外(wai)空間(jian)(jian)(jian)來容納訊號(hao)線路(lu)。由于TPS65010還包含原來由離(li)(li)(li)散(san)零件(jian)(jian)提供的(de)(de)(de)其(qi)它功能,例如電源(yuan)供應(ying)順序、振動(dong)器(qi)和二極管驅(qu)動(dong)組件(jian)(jian),因此整(zheng)合解決(jue)方案可(ke)以(yi)節省(sheng)更(geng)多(duo)電路(lu)板面積。

  

 

 

    圖六TPS65010與同(tong)等級離散解決方案的電(dian)路板布(bu)比較

    整(zheng)合(he)組件(jian)過去主要(yao)支(zhi)持特殊應用,彈性也不(bu)是很高,因此在設計流程(cheng)(cheng)后(hou)期,它們就無法再進行重(zhong)大的(de)(de)(de)(de)設計變更(geng)。然而新的(de)(de)(de)(de)制程(cheng)(cheng)技術,包(bao)括支(zhi)持可程(cheng)(cheng)序(xu)輸出(chu)電(dian)壓(ya)以(yi)及封裝后(hou)調整(zheng)的(de)(de)(de)(de)整(zheng)合(he)式EEPROM,卻使得(de)工程(cheng)(cheng)師能以(yi)更(geng)低成本,更(geng)簡單快速的(de)(de)(de)(de)對現有(you)組件(jian)（也就是不(bu)同固定輸出(chu)電(dian)壓(ya)的(de)(de)(de)(de)組件(jian)）重(zhong)復進行簡單修改。另一方(fang)面,整(zheng)合(he)組件(jian)的(de)(de)(de)(de)供貨商(shang)通常只(zhi)有(you)一家,這可能迫使廠商(shang)必須采用離(li)散解決方(fang)案。

    未來挑戰(zhan)

    消費(fei)者(zhe)想(xiang)要操(cao)作(zuo)時間更長的智能型手機,新發展(zhan)的半導體(ti)制(zhi)程技(ji)術已能減少泄漏電流和阻(zu)抗(kang)（有(you)時透過(guo)銅(tong)覆蓋層）,使得(de)(de)FET晶(jing)體(ti)管的靜態電流更低(di),導通阻(zu)抗(kang)也(ye)變(bian)得(de)(de)更小。然而不同于持續進(jin)步中的半導體(ti)技(ji)術,電池技(ji)術卻沒(mei)有(you)任(ren)何(he)重大進(jin)展(zhan),無法在不增加電池體(ti)積的情形下延長供(gong)電時間。

    電(dian)(dian)(dian)容器(qi)技術的(de)(de)(de)某些(xie)進展使得充(chong)電(dian)(dian)(dian)電(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)(chi)和(he)電(dian)(dian)(dian)容器(qi)之間(jian)的(de)(de)(de)界限日(ri)益模糊(hu),許多可攜式產品(pin)已開始使用高能量(liang)超級電(dian)(dian)(dian)容器(qi)（supercapacitor）,做為消費者更(geng)換(huan)電(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)(chi)時(shi)的(de)(de)(de)暫時(shi)電(dian)(dian)(dian)力來源;另外,高能量(liang)暨高功(gong)率(lv)的(de)(de)(de)超高電(dian)(dian)(dian)容器(qi)（ultracapacitor）還(huan)能在短時(shi)間(jian)內提供很(hen)大(da)電(dian)(dian)(dian)流(liu),讓電(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)(chi)不必瞬間(jian)供應龐大(da)電(dian)(dian)(dian)力,可以延(yan)長電(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)(chi)的(de)(de)(de)使用時(shi)間(jian)。這(zhe)些(xie)超高電(dian)(dian)(dian)容器(qi)會整合至電(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)(chi)封(feng)裝內,并在系統(tong)電(dian)(dian)(dian)力需求不太高時(shi),利用微小電(dian)(dian)(dian)流(liu)充(chong)電(dian)(dian)(dian)。

    燃料電(dian)(dian)池(chi)近來是熱門話題(ti),但(dan)由于(yu)外(wai)形包裝(zhuang)尚未標準化,使得燃料電(dian)(dian)池(chi)的(de)廣泛應用受到影響,商業化過程也(ye)不(bu)太順利。燃料電(dian)(dian)池(chi)的(de)輸出瞬時(shi)響應也(ye)很(hen)糟糕,因此至少在最初階段燃料電(dian)(dian)池(chi)只會做為普通(tong)(tong)電(dian)(dian)池(chi)的(de)補強裝(zhuang)置,無法取(qu)代普通(tong)(tong)電(dian)(dian)池(chi)。

    消費者還希望產品的(de)(de)(de)體積(ji)更(geng)小(xiao),功(gong)能更(geng)加強(qiang)大(da),創新(xin)的(de)(de)(de)電(dian)源管理組件設計以及封裝和(he)制(zhi)程技(ji)(ji)術的(de)(de)(de)進步都能幫助實現此目標(biao)。日益精密的(de)(de)(de)制(zhi)程技(ji)(ji)術可(ke)以制(zhi)造出(chu)越來越小(xiao)的(de)(de)(de)FET晶(jing)體管,讓晶(jing)粒和(he)封裝的(de)(de)(de)體積(ji)更(geng)小(xiao),工作(zuo)電(dian)壓(ya)更(geng)低(di),閘極(ji)電(dian)容更(geng)少(shao),使得晶(jing)體管的(de)(de)(de)開關速度更(geng)快

    ―對于(yu)以電感為基礎(chu)的(de)(de)(de)交換式(shi)電源供(gong)應,更(geng)快的(de)(de)(de)開關(guan)速度意味(wei)著更(geng)小的(de)(de)(de)電感。新封(feng)裝(zhuang)技術則能在更(geng)小的(de)(de)(de)封(feng)裝(zhuang)中容納更(geng)多功(gong)能,并且承受(shou)更(geng)大的(de)(de)(de)功(gong)耗,例如內建FET開關(guan)的(de)(de)(de)鋰離子電池線(xian)性充電組件bq24010就(jiu)采用3×3平(ping)方厘米的(de)(de)(de)QFN封(feng)裝(zhuang),它在普通室(shi)溫(wen)環境下,最高能承受(shou)1.5W功(gong)耗。

    要在(zai)較低(di)的(de)(de)工作電(dian)(dian)壓(ya)下(xia)(xia)(xia)提供更(geng)強大功能(neng),電(dian)(dian)源(yuan)(yuan)管理單元(yuan)和低(di)噪聲布(bu)局的(de)(de)容忍(ren)要求通(tong)常也(ye)會變的(de)(de)更(geng)嚴格,例(li)如系(xi)統(tong)若要求1.2V電(dian)(dian)源(yuan)(yuan)的(de)(de)誤(wu)差小(xiao)于(yu)±3%,就表示輸出電(dian)(dian)壓(ya)變動幅度不能(neng)超過(guo)±36mV;相形之(zhi)下(xia)(xia)(xia),使用(yong)3.3V電(dian)(dian)源(yuan)(yuan)就表示在(zai)同樣的(de)(de)±3%誤(wu)差限制(zhi)下(xia)(xia)(xia),它能(neng)容忍(ren)的(de)(de)電(dian)(dian)壓(ya)變動高(gao)達±99mV。由于(yu)電(dian)(dian)源(yuan)(yuan)電(dian)(dian)壓(ya)不斷降(jiang)低(di),未(wei)來(lai)幾(ji)年內對于(yu)誤(wu)差更(geng)小(xiao)、電(dian)(dian)流更(geng)大、效率更(geng)高(gao)和電(dian)(dian)磁(ci)干(gan)擾極(ji)低(di)的(de)(de)直流電(dian)(dian)源(yuan)(yuan)轉換(huan)器的(de)(de)需(xu)求將會增加。除此之(zhi)外(wai),隨著封裝縮小(xiao),可供散熱的(de)(de)面積也(ye)會減少,讓這(zhe)些高(gao)功耗組件的(de)(de)熱管理繼續(xu)成為(wei)困難挑戰。

    整合的力量

    本文介紹的(de)電(dian)源解決方案使用不同整(zheng)合(he)程(cheng)度的(de)電(dian)源組(zu)(zu)件(jian)。把部(bu)份或(huo)全部(bu)的(de)模擬(ni)電(dian)源組(zu)(zu)件(jian)和(he)基頻(pin)(pin)處理器等數(shu)字零(ling)件(jian)整(zheng)合(he)在一起會帶來許多優點(dian),包括(kuo)節省更(geng)多的(de)電(dian)路板面積,并且降(jiang)低總成本。復雜電(dian)子系統(tong)的(de)每個(ge)部(bu)份都有(you)著不同的(de)需(xu)求,這是過去實現(xian)更(geng)高(gao)(gao)(gao)階數(shu)字和(he)模擬(ni)零(ling)件(jian)整(zheng)合(he)的(de)障礙之(zhi)一,例如數(shu)字基頻(pin)(pin)單元(yuan)需(xu)要(yao)高(gao)(gao)(gao)密度制程(cheng)以支持(chi)數(shu)字訊號處理,模擬(ni)基頻(pin)(pin)和(he)電(dian)源功能(neng)需(xu)要(yao)電(dian)壓更(geng)高(gao)(gao)(gao)的(de)組(zu)(zu)件(jian);射(she)頻(pin)(pin)單元(yuan),特別是鎖相回路,則需(xu)要(yao)最適(shi)合(he)支持(chi)高(gao)(gao)(gao)頻(pin)(pin)操作的(de)BiCMOS組(zu)(zu)件(jian)。

    傳統上,制程(cheng)發展是(shi)由數字(zi)設計(ji)人員負責管理,他們(men)通常只會(hui)推動高密度(du)制程(cheng)發展,電(dian)路若(ruo)需(xu)要(yao)高電(dian)壓(ya)組件(jian)(jian),就必(bi)須采(cai)用(yong)不(bu)同制程(cheng),這表(biao)示他們(men)需(xu)要(yao)獨立的(de)(de)數字(zi)組件(jian)(jian)。半導體廠商不(bu)但開始發展「最(zui)小(xiao)閘極(ji)長度(du)」更短(duan)的(de)(de)BiCMOS制程(cheng),以便提供很高的(de)(de)組件(jian)(jian)密度(du)和(he)工作速度(du),還有更高電(dian)壓(ya)的(de)(de)汲極(ji)延(yan)伸型(xing)組件(jian)(jian)（drainextendeddevices）,它(ta)們(men)已用(yong)于更多的(de)(de)模(mo)擬和(he)電(dian)源(yuan)應(ying)用(yong)。包括電(dian)源(yuan)管理在內的(de)(de)許多模(mo)擬和(he)數字(zi)功能(neng)最(zui)后都會(hui)整合成單顆芯片。

    不同程(cheng)度(du)的(de)組件(jian)(jian)整合(he)正在(zai)簡化可(ke)攜(xie)式(shi)電(dian)源設計,尤其(qi)是可(ke)攜(xie)式(shi)產品的(de)系統設計人員(yuan),他(ta)們不必再擔心組件(jian)(jian)的(de)電(dian)源需(xu)求管理,整合(he)程(cheng)度(du)不同的(de)電(dian)源管理組件(jian)(jian)可(ke)以幫(bang)助他(ta)們讓電(dian)池提供(gong)最(zui)長供(gong)電(dian)時間,同時將(jiang)電(dian)路板(ban)面積和成本減(jian)至最(zui)少。