當今科技所需求(qiu)的手機電池除了要能夠長時間供(gong)應(ying)穩定電源外,體積小(xiao)重量輕也(ye)是關鍵。縮小(xiao)電路板(ban)面積、增(zeng)長供(gong)電時間與減少成本該如何(he)畢其(qi)功于一(yi)役(yi)？將(jiang)眾(zhong)多電源管理組(zu)件整合在單(dan)一(yi)芯片上將(jiang)是解決問題的最好途徑(jing)。

    早期(qi)的(de)行動(dong)電(dian)話(hua)(hua)不(bu)(bu)是體積笨重龐大(da),就是必須受到汽車(che)電(dian)池(chi)的(de)束縛,但(dan)經過長時間的(de)發展,今天的(de)行動(dong)電(dian)話(hua)(hua)已變(bian)得(de)非常(chang)輕(qing)巧,除了(le)電(dian)話(hua)(hua)功能(neng),它(ta)們(men)還會(hui)做許多(duo)(duo)事。新型3.xG智能(neng)型手(shou)機把傳(chuan)統(tong)的(de)2G行動(dong)電(dian)話(hua)(hua)和(he)多(duo)(duo)種其它(ta)功能(neng)結(jie)合在(zai)一起(qi),包(bao)括(kuo)PDA、數字(zi)相(xiang)機、音樂播放機（MP3）以及(ji)全球定位系統(tong)（GPS）。如此多(duo)(duo)元的(de)功能(neng)需(xu)要許多(duo)(duo)零件(jian),其中絕(jue)大(da)多(duo)(duo)數的(de)電(dian)源電(dian)壓并不(bu)(bu)相(xiang)同,電(dian)流需(xu)求則不(bu)(bu)斷(duan)增(zeng)加(jia),使得(de)它(ta)們(men)需(xu)要更(geng)多(duo)(duo)電(dian)力(li)。(圖(tu)一)是從2G語音電(dian)話(hua)(hua)升(sheng)級到3G視訊電(dian)話(hua)(hua)后(hou),功率需(xu)求增(zeng)加(jia)的(de)估(gu)計值。

 

 

    圖一功耗(hao)值

    在(zai)此同(tong)時(shi)(shi),消費者卻(que)想(xiang)要更(geng)精巧的手機(ji)。本文介紹兩種電源(yuan)(yuan)管理系統(tong),它們(men)可(ke)以協助智能型手機(ji)設計人員在(zai)彼此沖突的目標間取(qu)得平衡(heng),例如將封裝(zhuang)減(jian)至最(zui)小,同(tong)時(shi)(shi)支持更(geng)大的功率需(xu)求;實現最(zui)佳效率,讓電池提(ti)供最(zui)長的使用(yong)時(shi)(shi)間;以及將電源(yuan)(yuan)噪聲和漣波降至可(ke)接(jie)受水平,以支持新(xin)世代的行動電話。

    選擇(ze)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(ze)是(shi)目(mu)前僅有的(de)兩種實(shi)際選(xuan)擇。鋰離子電(dian)池(chi)(chi)(chi)的(de)單(dan)位體積蓄電(dian)量為(wei)270～300Wh/l,單(dan)位重量蓄電(dian)量為(wei)110～130Wh/kg,都高(gao)于鎳氫電(dian)池(chi)(chi)(chi)的(de)220～300Wh/l以及75～100Wh/kg,因此在同(tong)樣蓄電(dian)量下,鋰離子電(dian)池(chi)(chi)(chi)的(de)體積和(he)重量都小于鎳氫電(dian)池(chi)(chi)(chi);另外,鋰離子電(dian)池(chi)(chi)(chi)的(de)3.6V工(gong)作電(dian)壓也高(gao)于鎳氫電(dian)池(chi)(chi)(chi)的(de)1.2V。

    行(xing)動電(dian)話的多(duo)數功耗(hao)都(dou)來(lai)自(zi)于1.2V和3.3V電(dian)源,要(yao)讓交換(huan)(huan)式電(dian)源轉(zhuan)換(huan)(huan)器發(fa)揮最(zui)大工作效(xiao)率,較有效(xiao)的方法通常是從高電(dian)壓(ya)轉(zhuan)換(huan)(huan)至(zhi)低電(dian)壓(ya),而不(bu)是從低電(dian)壓(ya)轉(zhuan)換(huan)(huan)至(zhi)高電(dian)壓(ya),因(yin)此鋰離子電(dian)池是最(zui)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(bi)須處理500mA到1500mA范圍內的電流(liu),以便提供(gong)快速的充電周期時(shi)間(jian)。

    電(dian)(dian)(dian)池監視(shi)和保護組件(jian)通常都與(yu)電(dian)(dian)(dian)池封裝在(zai)一起,電(dian)(dian)(dian)池監視(shi)組件(jian)可以是簡單的「電(dian)(dian)(dian)荷計量器(qi)(qi)」（coulombcounter）,由中央處理器(qi)(qi)負(fu)責計算電(dian)(dian)(dian)池剩(sheng)余電(dian)(dian)(dian)力;也可以是內建微控制器(qi)(qi)的電(dian)(dian)(dian)池電(dian)(dian)(dian)力量測組件(jian)（gasgauge）,由它透(tou)過DSP與(yu)處理器(qi)(qi)之間(jian)的簡單界面,直接提供剩(sheng)余電(dian)(dian)(dian)力、剩(sheng)余供電(dian)(dian)(dian)時間(jian)、電(dian)(dian)(dian)池電(dian)(dian)(dian)壓、溫(wen)度和平均電(dian)(dian)(dian)流量測值等資料。

    電源拓樸

    接著,設(she)計工程師(shi)必須決定電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)源(yuan)轉(zhuan)換(huan)(huan)(huan)組件(jian)的(de)種類,它或許是(shi)以電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)感(gan)為基(ji)礎(chu)、并且內建(jian)FET開(kai)關的(de)交(jiao)換(huan)(huan)(huan)式電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)源(yuan)轉(zhuan)換(huan)(huan)(huan)器(qi)(qi)、無電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)感(gan)的(de)交(jiao)換(huan)(huan)(huan)式電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)源(yuan)轉(zhuan)換(huan)(huan)(huan)器(qi)(qi)（電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)荷泵浦）或是(shi)線(xian)性穩(wen)壓(ya)器(qi)(qi)。這些轉(zhuan)換(huan)(huan)(huan)器(qi)(qi)各有其優點。就(jiu)效(xiao)(xiao)(xiao)率(lv)而言,以電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)感(gan)為基(ji)礎(chu)的(de)轉(zhuan)換(huan)(huan)(huan)器(qi)(qi)擁有最(zui)高的(de)整體效(xiao)(xiao)(xiao)率(lv),其次是(shi)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)荷泵浦,最(zui)后(hou)才是(shi)線(xian)性穩(wen)壓(ya)器(qi)(qi)。成(cheng)本(ben)通常反比于效(xiao)(xiao)(xiao)率(lv),因(yin)此線(xian)性穩(wen)壓(ya)器(qi)(qi)成(cheng)本(ben)最(zui)低(di),然后(hou)是(shi)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)荷泵浦,最(zui)后(hou)則是(shi)以電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)感(gan)為基(ji)礎(chu)的(de)轉(zhuan)換(huan)(huan)(huan)器(qi)(qi)。

  線性穩壓(ya)器(qi)沒有輸(shu)出(chu)漣波(bo),電(dian)(dian)荷泵(beng)浦有一些輸(shu)出(chu)漣波(bo),交換(huan)式穩壓(ya)器(qi)的(de)輸(shu)出(chu)漣波(bo)則在三者之間最高(gao)。就整個解(jie)決方案的(de)體積(ji)來看,線性穩壓(ya)器(qi)的(de)體積(ji)最小,通常只需(xu)輸(shu)入(ru)和輸(shu)出(chu)電(dian)(dian)容,電(dian)(dian)荷泵(beng)浦除了輸(shu)入(ru)和輸(shu)出(chu)電(dian)(dian)容外,還需(xu)一顆或兩(liang)顆「飛馳」（flying）電(dian)(dian)容,交換(huan)式穩壓(ya)器(qi)則需(xu)要電(dian)(dian)感器(qi),因(yin)此其封裝體積(ji)會有很大差異(yi)。

    無論DSP或模擬(ni)數字轉換(huan)(huan)(huan)器等數字零件(jian),或是(shi)電(dian)源(yuan)管(guan)理系(xi)統(tong)等模擬(ni)零件(jian),2G電(dian)話幾(ji)乎不(bu)提供任何(he)的(de)功能整合,系(xi)統(tong)設計人員(yuan)在發展電(dian)源(yuan)管(guan)理系(xi)統(tong)時(shi),通常會以成本和體積為優先考慮,而不(bu)是(shi)轉換(huan)(huan)(huan)效率。線性穩壓(ya)(ya)(ya)器只(zhi)能將(jiang)輸入(ru)電(dian)壓(ya)(ya)(ya)轉換(huan)(huan)(huan)成更低的(de)輸出(chu)電(dian)壓(ya)(ya)(ya),因此電(dian)池(chi)電(dian)壓(ya)(ya)(ya)必(bi)須高于(yu)3.3V,此時(shi)可(ke)利(li)用(yong)低電(dian)流或中(zhong)電(dian)流的(de)線性穩壓(ya)(ya)(ya)器進行電(dian)壓(ya)(ya)(ya)轉換(huan)(huan)(huan),以便(bian)提供電(dian)力給至2.8V范圍內的(de)其它電(dian)源(yuan)需求。

    在3G芯片組中,基頻(pin)處(chu)理(li)(li)器(qi)(qi)現(xian)已包含DSP、微(wei)處(chu)理(li)(li)器(qi)(qi)／微(wei)控(kong)制器(qi)(qi)、模擬(ni)數(shu)字轉換器(qi)(qi)和數(shu)字模擬(ni)轉換器(qi)(qi),用來(lai)控(kong)制射頻(pin)訊號(hao)和音頻(pin)訊號(hao)處(chu)理(li)(li)。這顆處(chu)理(li)(li)器(qi)(qi)的(de)核心電(dian)(dian)(dian)壓已降(jiang)至1.2V或是更(geng)低,I/O和外圍電(dian)(dian)(dian)壓也開始(shi)減少至2.5V至3.0V范圍;由(you)于3.xG電(dian)(dian)(dian)話的(de)電(dian)(dian)(dian)流需求通常都(dou)超過(guo)2.G電(dian)(dian)(dian)話,3.xG設(she)計(ji)人員需要效率高于線性穩壓器(qi)(qi)的(de)直(zhi)(zhi)流電(dian)(dian)(dian)源轉換器(qi)(qi),以便提供更(geng)長(chang)的(de)電(dian)(dian)(dian)池使(shi)用時(shi)間。為進一(yi)步延長(chang)電(dian)(dian)(dian)池壽(shou)命,許多設(she)計(ji)人員必須盡量利用鋰離子電(dian)(dian)(dian)池電(dian)(dian)(dian)力(li),直(zhi)(zhi)到其電(dian)(dian)(dian)壓降(jiang)至最小值為止;在此過(guo)程中,如何產生3.3V電(dian)(dian)(dian)壓就變(bian)成一(yi)項挑戰。

    從(cong)表(biao)面上來(lai)看,設計人員若能繼續(xu)使用(yong)電(dian)池直到2.7V,并(bing)(bing)(bing)利用(yong)正電(dian)源降壓―升壓轉(zhuan)換器(qi)或(huo)是(shi)SEPIC轉(zhuan)換器(qi)提(ti)供(gong)3.3V電(dian)源,可攜式裝置的(de)(de)電(dian)池壽命就會大幅延長,但是(shi)根據(表(biao)一)針(zhen)對600mAh電(dian)池所做的(de)(de)簡單分析可發現情形并(bing)(bing)(bing)非(fei)如(ru)此,因為無(wu)論是(shi)采(cai)用(yong)效率更高的(de)(de)降壓轉(zhuan)換器(qi),并(bing)(bing)(bing)將電(dian)池使用(yong)到3.3V,或(huo)是(shi)采(cai)用(yong)SEPIC之類的(de)(de)轉(zhuan)換器(qi),并(bing)(bing)(bing)將電(dian)池電(dian)力完全用(yong)盡,這兩種方式的(de)(de)供(gong)電(dian)時間幾(ji)乎沒(mei)有任何區別。

    

 

    表一(yi)60mAh電池分析

    除此(ci)之外,無論(lun)是(shi)(shi)使(shi)用(yong)兩顆電(dian)(dian)(dian)感的(de)SEPIC轉(zhuan)換器(qi)(qi),或是(shi)(shi)某些(xie)效率(lv)更高的(de)新型正電(dian)(dian)(dian)源(yuan)(yuan)降壓―升壓轉(zhuan)換器(qi)(qi),它們的(de)成本(ben)都更高,因此(ci)在做整體(ti)評估時,只使(shi)用(yong)3.3V以(yi)上的(de)電(dian)(dian)(dian)池電(dian)(dian)(dian)力(li),然后利用(yong)高效率(lv)交換式電(dian)(dian)(dian)源(yuan)(yuan)轉(zhuan)換器(qi)(qi)提供3.3V電(dian)(dian)(dian)源(yuan)(yuan)的(de)方(fang)(fang)法不但更有效率(lv),還可能是(shi)(shi)更具吸引力(li)的(de)選擇。以(yi)下介紹的(de)離散解決方(fang)(fang)案就是(shi)(shi)使(shi)用(yong)降壓轉(zhuan)換器(qi)(qi)提供3.3V電(dian)(dian)(dian)源(yuan)(yuan),整合(he)式解決方(fang)(fang)案則采(cai)用(yong)SEPIC轉(zhuan)換器(qi)(qi)。

   系(xi)統(tong)概(gai)述

    不(bu)同(tong)的(de)(de)智能型手機零件有(you)著不(bu)同(tong)的(de)(de)電(dian)源(yuan)需求,(圖(tu)二)是(shi)行動電(dian)話中(zhong)需要(yao)電(dian)源(yuan)的(de)(de)主要(yao)零件簡單方塊圖(tu),例如射(she)頻單元的(de)(de)壓控(kong)振蕩器(qi)（VCO）以及鎖(suo)相回(hui)路（PLL）就(jiu)需要(yao)極低噪(zao)聲和很高(gao)電(dian)源(yuan)拒斥比的(de)(de)電(dian)源(yuan),確保(bao)(bao)它(ta)們提(ti)供最高(gao)的(de)(de)傳送和接收效能,因此雖然線性(xing)穩壓器(qi)的(de)(de)效率不(bu)高(gao),但(dan)由于它(ta)沒有(you)輸出(chu)漣波,所以是(shi)這類(lei)電(dian)源(yuan)供應的(de)(de)最佳選(xuan)擇;同(tong)樣重(zhong)要(yao)的(de)(de)是(shi)將直流轉換(huan)器(qi)的(de)(de)開關頻率,還有(you)它(ta)們的(de)(de)二階(jie)和三階(jie)諧(xie)波,都保(bao)(bao)持在中(zhong)頻頻帶之外。

    由于DSP和(he)中央處(chu)理器(qi)的核心(xin)電壓(ya)已降(jiang)至(zhi)1V左右,以電感(gan)為基礎(chu)的高效率(lv)交(jiao)換式(shi)降(jiang)壓(ya)轉換器(qi)是(shi)理想選擇。至(zhi)于屏幕(mu)背光(guang)照明所使用的白(bai)光(guang)二(er)極管,其電源可來自電荷泵浦或(huo)電感(gan)式(shi)升壓(ya)／降(jiang)壓(ya)轉換器(qi)。

    圖(tu)二(er)智能型(xing)手機電源(yuan)方(fang)塊圖(tu)

    動態電壓調整（DynamicVoltageScaling）

    從圖一可(ke)看(kan)出,電源需求(qiu)最高(gao)的(de)兩(liang)顆零件是(shi)在射頻單(dan)元,分別是(shi)發射機的(de)功率放(fang)大器(qi)(qi)和基(ji)頻處(chu)理(li)器(qi)(qi)。隨(sui)著電話與(yu)基(ji)地臺之間的(de)距離不同,功率放(fang)大器(qi)(qi)在通話過程中最多(duo)消耗(hao)75％的(de)總功耗(hao),待命模(mo)式則只有30％。采(cai)用非線(xian)(xian)性功率放(fang)大器(qi)(qi)的(de)舊(jiu)型(xing)(xing)GSM電話發射機的(de)典(dian)型(xing)(xing)工作效(xiao)率約為50％,但是(shi)WCDMA等較新標(biao)準卻(que)同時需要(yao)振幅及相位調變,這只有工作效(xiao)率在25％至35％之間的(de)線(xian)(xian)性放(fang)大器(qi)(qi)可(ke)以(yi)提供。

    除此之(zhi)外,CDMA20001x手(shou)機(ji)的正常(chang)基頻(pin)處理器負(fu)載需求是在60至120mA范(fan)圍,因此提供(gong)最(zui)有效(xiao)率的電源給功率放大器和處理器就顯得極為重要。

    動態／可適性電(dian)(dian)壓(ya)調(diao)(diao)整(zheng)技術（DVS/AVS）與高(gao)整(zheng)合度(du)組件所使用(yong)的(de)(de)方式很類似,它(ta)會(hui)把閉回路(lu)系統(tong)中(zhong)的(de)(de)處理器(qi)(qi)和(he)穩壓(ya)器(qi)(qi)連(lian)結在(zai)一起(qi),并在(zai)確保(bao)系統(tong)正常工作(zuo)的(de)(de)情形(xing)下(xia)(xia),將數(shu)字電(dian)(dian)源(yuan)供應的(de)(de)輸出電(dian)(dian)壓(ya)動態調(diao)(diao)整(zheng)至最(zui)小值(zhi)。功(gong)率(lv)(lv)(lv)放(fang)大器(qi)(qi)會(hui)被最(zui)佳化,使它(ta)在(zai)最(zui)大傳送(song)功(gong)率(lv)(lv)(lv)下(xia)(xia)擁有最(zui)高(gao)效(xiao)率(lv)(lv)(lv)。由于絕(jue)大多(duo)數(shu)手機都(dou)在(zai)基地(di)臺附近工作(zuo),手機的(de)(de)無線(xian)電(dian)(dian)功(gong)能(neng)會(hui)在(zai)維(wei)持通訊質(zhi)量(liang)的(de)(de)前題下(xia)(xia),將傳送(song)功(gong)率(lv)(lv)(lv)降至最(zui)低水平。當功(gong)率(lv)(lv)(lv)放(fang)大器(qi)(qi)在(zai)較低的(de)(de)功(gong)率(lv)(lv)(lv)水平下(xia)(xia)工作(zuo)時,它(ta)的(de)(de)效(xiao)率(lv)(lv)(lv)會(hui)受到影響,從(圖三(san))可以看出,利用(yong)動態電(dian)(dian)壓(ya)調(diao)(diao)整(zheng)技術來調(diao)(diao)整(zheng)功(gong)率(lv)(lv)(lv)放(fang)大器(qi)(qi)的(de)(de)電(dian)(dian)壓(ya),它(ta)的(de)(de)工作(zuo)效(xiao)率(lv)(lv)(lv)會(hui)增加10％至20％。

 

    圖三(san)功率(lv)放大器效率(lv)

    數(shu)字處理器(qi)(qi)的(de)功耗正比于電壓(ya)平方,因此中央(yang)處理器(qi)(qi)也能采用動態(tai)電壓(ya)調整技(ji)術;當中央(yang)處理器(qi)(qi)進入待命模式或(huo)其它(ta)功能精簡模式,它(ta)就能在較低(di)的(de)頻率(lv)頻率(lv)下工(gong)作,此時可(ke)將處理器(qi)(qi)電壓(ya)降低(di),以便減少功耗,提升工(gong)作效率(lv),延長電池(chi)壽命。

    就以OMAP1510為例(li),假設它(ta)的電(dian)源是由TPS62200供應(ying),并(bing)使用1安(an)培小時(shi)的3.6V鋰離子電(dian)池輸入,其它(ta)特性包(bao)括：

    ●睡眠模式（TPS62200采用(yong)PFM調(diao)變）未(wei)用(yong)動(dong)態電壓調(diao)整：Vout=1.5V@300μA;效率=93％

    ●正常工作模(mo)式（TPS62200采用PWM調變(bian)）：Vout=1.5V@100mA;效率(lv)=96％

    假設此組件95％時(shi)間(jian)(jian)處于睡(shui)眠模(mo)式(shi),5％時(shi)間(jian)(jian)處于正常工(gong)作模(mo)式(shi),則從(cong)輸出(chu)功率與時(shi)間(jian)(jian)的關系(xi)圖(tu)可(ke)看(kan)出(chu),將動態電壓調整技(ji)術用于睡(shui)眠模(mo)式(shi),電池壽命會最(zui)多(duo)延長9個小時(shi)。

離散解決方案

    (圖四)是利用離散組件實作(zuo)的電源管(guan)理系(xi)統(tong),電池電壓限制為3.3V。

    圖四利用離(li)散組件實作的電源管(guan)理系(xi)統

    在這個解決方案中,就算鋰離子電(dian)池下(xia)降至3.3V左(zuo)右,在100％負載周期(qi)模式下(xia)工作的高效率TPS62200降壓(ya)轉換器(qi)仍能提供3.3V的I/O電(dian)壓(ya)。上(shang)述所有零(ling)(ling)件(jian)(jian)都采(cai)用SOT-23封裝,除了bq24020電(dian)池充電(dian)組(zu)件(jian)(jian)、TPS61020升壓(ya)轉換器(qi)以(yi)及TPS61042白光二(er)極管驅動組(zu)件(jian)(jian)之外,它(ta)們(men)是采(cai)用3×3平方厘(li)米的QFN封裝。TPS61040和(he)TPS61042還內建上(shang)端FET晶體管,每顆組(zu)件(jian)(jian)只需要(yao)一個外接(jie)二(er)極管。bq24020、TPS622xx、TPS61020和(he)線性穩壓(ya)器(qi)組(zu)件(jian)(jian)全(quan)都內建FET晶體管,功率放大器(qi)和(he)中央處(chu)理器(qi)電(dian)源采(cai)用的動態電(dian)壓(ya)調整技術可以(yi)提高每顆零(ling)(ling)件(jian)(jian)的效率,進而協助降低功耗。

    整合解決方案

    最新制程(cheng)技術使(shi)得工程(cheng)師更容(rong)易結合、迅速修改以(yi)(yi)及(ji)／或是利用現(xian)有的(de)(de)離散(san)組(zu)件(jian)設(she)計,以(yi)(yi)便提供(gong)不同(tong)整合程(cheng)度的(de)(de)半導體(ti)芯片,例如(ru)(ru)通(tong)用的(de)(de)雙通(tong)道(dao)交換(huan)式轉(zhuan)換(huan)器和電源(yuan)拒斥比很高而噪聲很低的(de)(de)雙信道(dao)線(xian)性穩壓器、特殊應用白光二極管的(de)(de)電源(yuan)供(gong)應以(yi)(yi)及(ji)行動電話(hua)(hua)、PDA和數字相機的(de)(de)多電源(yuan)管理解(jie)(jie)決方(fang)案(an),這些產品都已開始(shi)供(gong)應。專(zhuan)門(men)支持終(zhong)端設(she)備的(de)(de)電源(yuan)組(zu)件(jian)則會內建各種外(wai)圍,其范圍從行動電話(hua)(hua)的(de)(de)響鈴器和蜂(feng)鳴(ming)器到PDA的(de)(de)通(tong)用I/O接腳(jiao),例如(ru)(ru)圖四整合解(jie)(jie)決方(fang)案(an)所使(shi)用的(de)(de)TPS65010就是這類(lei)組(zu)件(jian)。

 

    圖(tu)五整(zheng)合式(shi)解(jie)決方案

    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力,直到電池電壓降至最(zui)低(di)(di)水平（大約2.7V）。和離散解決方案(an)一樣,穩壓器(qi)(qi)(qi)輸(shu)(shu)出也來(lai)自3.3V輸(shu)(shu)入電源(yuan)(yuan),以便提高工(gong)作效(xiao)率(lv)。TPS65010采(cai)用48只接腳QFN封(feng)(feng)裝(zhuang),這些(xie)組件都內建FET晶(jing)體管。TPS61130SEPIC轉換器(qi)(qi)(qi)采(cai)用4×4平方厘(li)米QFN封(feng)(feng)裝(zhuang),并且內建FET晶(jing)體管,最(zui)高達到90％以上效(xiao)率(lv),TPS5100則是(shi)三(san)通道輸(shu)(shu)出控(kong)制器(qi)(qi)(qi),專門用來(lai)提供電源(yuan)(yuan)給顯示器(qi)(qi)(qi)。功(gong)率(lv)放(fang)大器(qi)(qi)(qi)和中(zhong)央處(chu)理器(qi)(qi)(qi)電源(yuan)(yuan)使用的動態電壓調整技術可(ke)以改善(shan)每(mei)顆零件的效(xiao)率(lv),進而協助(zhu)降低(di)(di)功(gong)耗。

    離散或(huo)整合？

    如何在離(li)(li)散(san)或整(zheng)合(he)解(jie)決(jue)(jue)方案之間(jian)(jian)做出抉(jue)擇？一般說來(lai),整(zheng)合(he)組件(jian)(jian)的(de)成本會低于同樣(yang)等級的(de)多(duo)顆離(li)(li)散(san)零(ling)(ling)(ling)(ling)件(jian)(jian);除(chu)此(ci)之外,如同(圖六)的(de)電(dian)(dian)(dian)路(lu)板(ban)布局所示,相(xiang)較于執行(xing)同樣(yang)功(gong)能(neng)的(de)多(duo)顆離(li)(li)散(san)零(ling)(ling)(ling)(ling)件(jian)(jian),TPS65010以及與其搭配的(de)被動零(ling)(ling)(ling)(ling)件(jian)(jian)只(zhi)需較少的(de)電(dian)(dian)(dian)路(lu)板(ban)空(kong)間(jian)(jian),這主要(yao)是因為離(li)(li)散(san)零(ling)(ling)(ling)(ling)件(jian)(jian)之間(jian)(jian)需要(yao)額外空(kong)間(jian)(jian)來(lai)容納訊號(hao)線路(lu)。由(you)于TPS65010還包含(han)原來(lai)由(you)離(li)(li)散(san)零(ling)(ling)(ling)(ling)件(jian)(jian)提(ti)供的(de)其它功(gong)能(neng),例如電(dian)(dian)(dian)源供應(ying)順(shun)序(xu)、振動器和二極(ji)管驅(qu)動組件(jian)(jian),因此(ci)整(zheng)合(he)解(jie)決(jue)(jue)方案可(ke)以節省(sheng)更多(duo)電(dian)(dian)(dian)路(lu)板(ban)面(mian)積。

  

 

 

    圖六(liu)TPS65010與(yu)同等級離(li)散解決(jue)方案的電路板(ban)布比(bi)較

    整合(he)組件過去主(zhu)要支持特殊(shu)應用(yong),彈性也不是很高,因(yin)此在設計流(liu)程(cheng)后(hou)期(qi),它們就無(wu)法(fa)再進(jin)行重(zhong)大的(de)設計變更。然(ran)而(er)新(xin)的(de)制程(cheng)技術,包括支持可程(cheng)序輸出電壓以(yi)及(ji)封(feng)裝后(hou)調整的(de)整合(he)式EEPROM,卻使得工程(cheng)師能(neng)以(yi)更低成本,更簡單(dan)快速(su)的(de)對現有組件（也就是不同固定輸出電壓的(de)組件）重(zhong)復進(jin)行簡單(dan)修改。另一(yi)方面,整合(he)組件的(de)供貨商通(tong)常只(zhi)有一(yi)家,這可能(neng)迫(po)使廠商必須采用(yong)離散解決方案(an)。

    未(wei)來挑戰(zhan)

    消費者想要操作時(shi)間更(geng)長的(de)(de)智能型手機(ji),新發展的(de)(de)半(ban)導(dao)體(ti)(ti)(ti)制程技(ji)術已能減(jian)少(shao)泄(xie)漏電(dian)流和阻(zu)(zu)抗（有(you)時(shi)透(tou)過銅(tong)覆蓋層）,使得(de)FET晶體(ti)(ti)(ti)管(guan)的(de)(de)靜態電(dian)流更(geng)低,導(dao)通阻(zu)(zu)抗也變(bian)得(de)更(geng)小(xiao)。然而(er)不(bu)(bu)同于持續進步中的(de)(de)半(ban)導(dao)體(ti)(ti)(ti)技(ji)術,電(dian)池技(ji)術卻沒有(you)任(ren)何(he)重大進展,無(wu)法(fa)在不(bu)(bu)增加電(dian)池體(ti)(ti)(ti)積的(de)(de)情形下延長供電(dian)時(shi)間。

    電(dian)(dian)(dian)容(rong)器(qi)技術的(de)(de)(de)某些進展使(shi)得充電(dian)(dian)(dian)電(dian)(dian)(dian)池(chi)和(he)電(dian)(dian)(dian)容(rong)器(qi)之(zhi)間(jian)(jian)(jian)(jian)的(de)(de)(de)界(jie)限(xian)日益模(mo)糊,許多可攜式(shi)產品已(yi)開始使(shi)用高(gao)(gao)能量(liang)超(chao)級電(dian)(dian)(dian)容(rong)器(qi)（supercapacitor）,做為消(xiao)費者(zhe)更換電(dian)(dian)(dian)池(chi)時(shi)(shi)的(de)(de)(de)暫時(shi)(shi)電(dian)(dian)(dian)力(li)來(lai)源;另外,高(gao)(gao)能量(liang)暨高(gao)(gao)功率的(de)(de)(de)超(chao)高(gao)(gao)電(dian)(dian)(dian)容(rong)器(qi)（ultracapacitor）還(huan)能在(zai)短時(shi)(shi)間(jian)(jian)(jian)(jian)內提供(gong)很大(da)電(dian)(dian)(dian)流,讓(rang)電(dian)(dian)(dian)池(chi)不必(bi)瞬間(jian)(jian)(jian)(jian)供(gong)應龐大(da)電(dian)(dian)(dian)力(li),可以延長(chang)電(dian)(dian)(dian)池(chi)的(de)(de)(de)使(shi)用時(shi)(shi)間(jian)(jian)(jian)(jian)。這些超(chao)高(gao)(gao)電(dian)(dian)(dian)容(rong)器(qi)會整(zheng)合(he)至電(dian)(dian)(dian)池(chi)封裝內,并(bing)在(zai)系統電(dian)(dian)(dian)力(li)需求不太高(gao)(gao)時(shi)(shi),利用微小電(dian)(dian)(dian)流充電(dian)(dian)(dian)。

    燃(ran)(ran)料電(dian)(dian)池(chi)近來是熱(re)門(men)話題,但由于外形包(bao)裝(zhuang)尚(shang)未標準化,使得燃(ran)(ran)料電(dian)(dian)池(chi)的(de)廣泛應(ying)用(yong)受(shou)到影響(xiang),商業化過程(cheng)也不太順利(li)。燃(ran)(ran)料電(dian)(dian)池(chi)的(de)輸出瞬時響(xiang)應(ying)也很(hen)糟糕,因此至少在最初階段燃(ran)(ran)料電(dian)(dian)池(chi)只會做為普通電(dian)(dian)池(chi)的(de)補強裝(zhuang)置,無法取代普通電(dian)(dian)池(chi)。

    消費者還(huan)希望產(chan)品的(de)(de)體(ti)(ti)積更(geng)小,功能(neng)更(geng)加強(qiang)大,創(chuang)新的(de)(de)電(dian)源(yuan)管(guan)理組件(jian)設(she)計(ji)以及封(feng)裝和制程技術的(de)(de)進(jin)步都(dou)能(neng)幫助(zhu)實現此目(mu)標。日益精(jing)密的(de)(de)制程技術可以制造出越來越小的(de)(de)FET晶(jing)體(ti)(ti)管(guan),讓晶(jing)粒和封(feng)裝的(de)(de)體(ti)(ti)積更(geng)小,工作電(dian)壓更(geng)低,閘極電(dian)容更(geng)少(shao),使(shi)得(de)晶(jing)體(ti)(ti)管(guan)的(de)(de)開(kai)關速度更(geng)快(kuai)

    ―對于以電(dian)(dian)感為基礎的(de)(de)交換式電(dian)(dian)源(yuan)供應,更(geng)(geng)(geng)快(kuai)的(de)(de)開關(guan)速度意味著(zhu)更(geng)(geng)(geng)小的(de)(de)電(dian)(dian)感。新封裝(zhuang)技術則能(neng)在(zai)更(geng)(geng)(geng)小的(de)(de)封裝(zhuang)中容納更(geng)(geng)(geng)多功(gong)能(neng),并且承(cheng)受更(geng)(geng)(geng)大的(de)(de)功(gong)耗,例如內建(jian)FET開關(guan)的(de)(de)鋰離子電(dian)(dian)池線性充電(dian)(dian)組(zu)件bq24010就采用(yong)3×3平方厘米的(de)(de)QFN封裝(zhuang),它在(zai)普通室溫(wen)環境下,最高能(neng)承(cheng)受1.5W功(gong)耗。

    要(yao)(yao)在(zai)較低(di)的(de)(de)(de)工作電(dian)壓下提供更(geng)強(qiang)大(da)(da)功(gong)能,電(dian)源(yuan)(yuan)管(guan)理單元(yuan)和低(di)噪聲布(bu)局的(de)(de)(de)容忍要(yao)(yao)求通常也會(hui)(hui)變的(de)(de)(de)更(geng)嚴格,例如系(xi)統若要(yao)(yao)求1.2V電(dian)源(yuan)(yuan)的(de)(de)(de)誤(wu)差小于(yu)±3%,就表示輸出電(dian)壓變動幅度不能超過±36mV;相形之(zhi)下,使用3.3V電(dian)源(yuan)(yuan)就表示在(zai)同(tong)樣的(de)(de)(de)±3%誤(wu)差限制下,它能容忍的(de)(de)(de)電(dian)壓變動高達±99mV。由于(yu)電(dian)源(yuan)(yuan)電(dian)壓不斷降低(di),未來幾(ji)年內(nei)對于(yu)誤(wu)差更(geng)小、電(dian)流更(geng)大(da)(da)、效率更(geng)高和電(dian)磁(ci)干(gan)擾極低(di)的(de)(de)(de)直流電(dian)源(yuan)(yuan)轉換(huan)器的(de)(de)(de)需(xu)求將(jiang)會(hui)(hui)增(zeng)加。除此之(zhi)外,隨著封裝縮小,可供散熱(re)的(de)(de)(de)面積也會(hui)(hui)減少,讓這些高功(gong)耗組(zu)件的(de)(de)(de)熱(re)管(guan)理繼(ji)續成為困(kun)難挑戰。

    整合的(de)力(li)量(liang)

    本(ben)文介紹的(de)(de)電(dian)源(yuan)解(jie)決(jue)方案(an)使用不同整(zheng)合(he)(he)(he)程(cheng)度(du)的(de)(de)電(dian)源(yuan)組件(jian)。把部份(fen)或全部的(de)(de)模擬電(dian)源(yuan)組件(jian)和基頻(pin)(pin)處理器等數(shu)字(zi)(zi)零件(jian)整(zheng)合(he)(he)(he)在一起會帶來許多優點,包括節省更多的(de)(de)電(dian)路板(ban)面積(ji),并且降低總成(cheng)本(ben)。復雜(za)電(dian)子系統的(de)(de)每個(ge)部份(fen)都(dou)有著不同的(de)(de)需求,這是(shi)過去實(shi)現更高(gao)階(jie)數(shu)字(zi)(zi)和模擬零件(jian)整(zheng)合(he)(he)(he)的(de)(de)障(zhang)礙之(zhi)一,例如數(shu)字(zi)(zi)基頻(pin)(pin)單(dan)元需要(yao)高(gao)密度(du)制程(cheng)以支(zhi)持(chi)數(shu)字(zi)(zi)訊號(hao)處理,模擬基頻(pin)(pin)和電(dian)源(yuan)功能需要(yao)電(dian)壓更高(gao)的(de)(de)組件(jian);射頻(pin)(pin)單(dan)元,特別(bie)是(shi)鎖相回(hui)路,則需要(yao)最適合(he)(he)(he)支(zhi)持(chi)高(gao)頻(pin)(pin)操作的(de)(de)BiCMOS組件(jian)。

    傳統(tong)上,制程發(fa)展是(shi)由數字(zi)設計人員負責管(guan)理,他們通常只會推動高(gao)密(mi)度(du)制程發(fa)展,電路若(ruo)需要(yao)高(gao)電壓組(zu)件(jian)(jian)(jian),就必須(xu)采用不同制程,這表示他們需要(yao)獨立(li)的(de)數字(zi)組(zu)件(jian)(jian)(jian)。半導體廠商(shang)不但開始(shi)發(fa)展「最小閘極長度(du)」更短的(de)BiCMOS制程,以便提供很高(gao)的(de)組(zu)件(jian)(jian)(jian)密(mi)度(du)和工作速度(du),還有更高(gao)電壓的(de)汲極延伸型組(zu)件(jian)(jian)(jian)（drainextendeddevices）,它(ta)們已用于更多(duo)的(de)模擬和電源(yuan)應用。包括(kuo)電源(yuan)管(guan)理在內的(de)許(xu)多(duo)模擬和數字(zi)功能最后都會整合成(cheng)單顆(ke)芯(xin)片。

    不同程(cheng)度的組(zu)(zu)件(jian)整合正(zheng)在簡(jian)化(hua)可(ke)攜式電(dian)(dian)源設計,尤(you)其是可(ke)攜式產品的系統設計人員,他們不必再擔心組(zu)(zu)件(jian)的電(dian)(dian)源需求管理,整合程(cheng)度不同的電(dian)(dian)源管理組(zu)(zu)件(jian)可(ke)以幫助他們讓電(dian)(dian)池提供最長供電(dian)(dian)時間,同時將電(dian)(dian)路(lu)板面積和成本(ben)減至最少。