當(dang)今科技所需(xu)求的手機電(dian)池(chi)除了要能夠(gou)長(chang)時間供(gong)應穩(wen)定電(dian)源外,體積(ji)小(xiao)重量(liang)輕也是關鍵。縮小(xiao)電(dian)路板面積(ji)、增(zeng)長(chang)供(gong)電(dian)時間與減少成本該如何畢其功(gong)于一役？將(jiang)眾多電(dian)源管理組件整合(he)在單一芯片上(shang)將(jiang)是解(jie)決問(wen)題的最好途徑(jing)。

    早期的(de)(de)行動(dong)電(dian)話(hua)不(bu)是體積笨重龐大(da),就(jiu)是必須受到(dao)汽車電(dian)池的(de)(de)束縛,但經過長時間的(de)(de)發展,今天(tian)的(de)(de)行動(dong)電(dian)話(hua)已變(bian)得非(fei)常(chang)輕巧,除(chu)了電(dian)話(hua)功能(neng)(neng)(neng),它(ta)們(men)還(huan)會做許多(duo)(duo)事(shi)。新型(xing)3.xG智能(neng)(neng)(neng)型(xing)手機(ji)把傳統的(de)(de)2G行動(dong)電(dian)話(hua)和多(duo)(duo)種其它(ta)功能(neng)(neng)(neng)結合在一(yi)起,包(bao)括PDA、數(shu)字相(xiang)機(ji)、音樂播(bo)放機(ji)（MP3）以及全球定位系統（GPS）。如此多(duo)(duo)元的(de)(de)功能(neng)(neng)(neng)需(xu)要許多(duo)(duo)零件,其中絕大(da)多(duo)(duo)數(shu)的(de)(de)電(dian)源電(dian)壓并(bing)不(bu)相(xiang)同,電(dian)流需(xu)求則不(bu)斷增加,使得它(ta)們(men)需(xu)要更多(duo)(duo)電(dian)力。(圖(tu)一(yi))是從2G語音電(dian)話(hua)升級到(dao)3G視訊電(dian)話(hua)后,功率需(xu)求增加的(de)(de)估計值。

 

 

    圖一功耗值

    在(zai)此同時,消費者卻(que)想要(yao)更精(jing)巧的(de)手(shou)機。本文(wen)介紹兩種電源管理系統,它們可以(yi)協助智能(neng)型手(shou)機設計人員在(zai)彼此沖突的(de)目(mu)標間(jian)取得(de)平衡,例如將(jiang)封裝減至(zhi)(zhi)最(zui)小,同時支持更大的(de)功率需(xu)求(qiu);實現最(zui)佳效率,讓(rang)電池提供最(zui)長的(de)使用時間(jian);以(yi)及將(jiang)電源噪聲和漣波降至(zhi)(zhi)可接(jie)受水平,以(yi)支持新世代的(de)行動(dong)電話。

    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)(de)兩種實(shi)際選擇(ze)。鋰(li)離(li)子電(dian)(dian)(dian)池(chi)的(de)(de)單位體(ti)積蓄電(dian)(dian)(dian)量(liang)(liang)(liang)(liang)為270～300Wh/l,單位重(zhong)(zhong)量(liang)(liang)(liang)(liang)蓄電(dian)(dian)(dian)量(liang)(liang)(liang)(liang)為110～130Wh/kg,都高于鎳氫電(dian)(dian)(dian)池(chi)的(de)(de)220～300Wh/l以及75～100Wh/kg,因此(ci)在同(tong)樣蓄電(dian)(dian)(dian)量(liang)(liang)(liang)(liang)下(xia),鋰(li)離(li)子電(dian)(dian)(dian)池(chi)的(de)(de)體(ti)積和重(zhong)(zhong)量(liang)(liang)(liang)(liang)都小于鎳氫電(dian)(dian)(dian)池(chi);另外,鋰(li)離(li)子電(dian)(dian)(dian)池(chi)的(de)(de)3.6V工作電(dian)(dian)(dian)壓也高于鎳氫電(dian)(dian)(dian)池(chi)的(de)(de)1.2V。

    行(xing)動(dong)電(dian)(dian)(dian)話的多數功耗都來自于1.2V和3.3V電(dian)(dian)(dian)源(yuan),要讓交換(huan)式電(dian)(dian)(dian)源(yuan)轉換(huan)器發揮最(zui)大工作(zuo)效率,較有(you)效的方法通常是(shi)從高(gao)電(dian)(dian)(dian)壓(ya)轉換(huan)至低(di)電(dian)(dian)(dian)壓(ya),而(er)不是(shi)從低(di)電(dian)(dian)(dian)壓(ya)轉換(huan)至高(gao)電(dian)(dian)(dian)壓(ya),因此鋰離子電(dian)(dian)(dian)池是(shi)最(zui)佳選擇。

    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(dao)1500mA范圍內的(de)電(dian)流,以(yi)便提供快速的(de)充電(dian)周期時間。

    電(dian)(dian)(dian)池(chi)監(jian)視(shi)和保護組件(jian)(jian)通常都(dou)與電(dian)(dian)(dian)池(chi)封裝在一(yi)起,電(dian)(dian)(dian)池(chi)監(jian)視(shi)組件(jian)(jian)可以是(shi)(shi)簡(jian)單的(de)「電(dian)(dian)(dian)荷計量(liang)器(qi)(qi)」（coulombcounter）,由中央處理(li)器(qi)(qi)負責計算電(dian)(dian)(dian)池(chi)剩(sheng)余(yu)電(dian)(dian)(dian)力;也可以是(shi)(shi)內建(jian)微控制(zhi)器(qi)(qi)的(de)電(dian)(dian)(dian)池(chi)電(dian)(dian)(dian)力量(liang)測組件(jian)(jian)（gasgauge）,由它透(tou)過DSP與處理(li)器(qi)(qi)之間的(de)簡(jian)單界面,直(zhi)接(jie)提供剩(sheng)余(yu)電(dian)(dian)(dian)力、剩(sheng)余(yu)供電(dian)(dian)(dian)時間、電(dian)(dian)(dian)池(chi)電(dian)(dian)(dian)壓、溫度和平均電(dian)(dian)(dian)流量(liang)測值等資料。

    電源拓樸

    接著,設(she)計(ji)工(gong)程師必須(xu)決定(ding)電(dian)源轉(zhuan)換組(zu)件的(de)種類,它或許是以電(dian)感(gan)為(wei)基(ji)礎(chu)、并且內建(jian)FET開(kai)關的(de)交換式電(dian)源轉(zhuan)換器(qi)、無(wu)電(dian)感(gan)的(de)交換式電(dian)源轉(zhuan)換器(qi)（電(dian)荷(he)泵浦(pu)）或是線性(xing)穩壓(ya)器(qi)。這(zhe)些轉(zhuan)換器(qi)各有其優點。就效率(lv)而言(yan),以電(dian)感(gan)為(wei)基(ji)礎(chu)的(de)轉(zhuan)換器(qi)擁有最(zui)高的(de)整體(ti)效率(lv),其次(ci)是電(dian)荷(he)泵浦(pu),最(zui)后才是線性(xing)穩壓(ya)器(qi)。成本通(tong)常反比于效率(lv),因此線性(xing)穩壓(ya)器(qi)成本最(zui)低,然后是電(dian)荷(he)泵浦(pu),最(zui)后則是以電(dian)感(gan)為(wei)基(ji)礎(chu)的(de)轉(zhuan)換器(qi)。

  線(xian)(xian)性穩(wen)(wen)壓(ya)(ya)器(qi)(qi)(qi)沒有輸(shu)(shu)出(chu)漣波(bo),電(dian)(dian)荷泵浦有一(yi)些(xie)輸(shu)(shu)出(chu)漣波(bo),交換式(shi)穩(wen)(wen)壓(ya)(ya)器(qi)(qi)(qi)的輸(shu)(shu)出(chu)漣波(bo)則在三者之(zhi)間最高。就(jiu)整(zheng)個解決方(fang)案的體積(ji)來看,線(xian)(xian)性穩(wen)(wen)壓(ya)(ya)器(qi)(qi)(qi)的體積(ji)最小,通常只需(xu)輸(shu)(shu)入和輸(shu)(shu)出(chu)電(dian)(dian)容,電(dian)(dian)荷泵浦除了輸(shu)(shu)入和輸(shu)(shu)出(chu)電(dian)(dian)容外,還需(xu)一(yi)顆(ke)或兩(liang)顆(ke)「飛馳」（flying）電(dian)(dian)容,交換式(shi)穩(wen)(wen)壓(ya)(ya)器(qi)(qi)(qi)則需(xu)要電(dian)(dian)感器(qi)(qi)(qi),因此(ci)其(qi)封裝(zhuang)體積(ji)會有很(hen)大差(cha)異。

    無論(lun)DSP或(huo)模(mo)(mo)擬(ni)數字(zi)轉換(huan)器(qi)(qi)等數字(zi)零件(jian),或(huo)是電(dian)(dian)源(yuan)管理系(xi)(xi)統(tong)等模(mo)(mo)擬(ni)零件(jian),2G電(dian)(dian)話幾乎(hu)不提(ti)(ti)供任何的功能(neng)整(zheng)合,系(xi)(xi)統(tong)設計人員(yuan)在發展電(dian)(dian)源(yuan)管理系(xi)(xi)統(tong)時,通(tong)常會以成本和體積為優先考(kao)慮,而不是轉換(huan)效(xiao)率。線(xian)性(xing)穩(wen)壓(ya)(ya)(ya)(ya)器(qi)(qi)只能(neng)將(jiang)輸入電(dian)(dian)壓(ya)(ya)(ya)(ya)轉換(huan)成更低的輸出電(dian)(dian)壓(ya)(ya)(ya)(ya),因此(ci)(ci)電(dian)(dian)池電(dian)(dian)壓(ya)(ya)(ya)(ya)必須高(gao)于3.3V,此(ci)(ci)時可利用(yong)低電(dian)(dian)流或(huo)中(zhong)電(dian)(dian)流的線(xian)性(xing)穩(wen)壓(ya)(ya)(ya)(ya)器(qi)(qi)進行電(dian)(dian)壓(ya)(ya)(ya)(ya)轉換(huan),以便(bian)提(ti)(ti)供電(dian)(dian)力給至2.8V范圍(wei)內(nei)的其它(ta)電(dian)(dian)源(yuan)需(xu)求。

    在(zai)(zai)3G芯片組中,基頻(pin)(pin)處(chu)理(li)器(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)現已(yi)包含DSP、微處(chu)理(li)器(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)／微控制(zhi)(zhi)器(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)、模(mo)擬數字轉換器(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)和數字模(mo)擬轉換器(qi)(qi)(qi)(qi)(qi),用(yong)來控制(zhi)(zhi)射頻(pin)(pin)訊號(hao)(hao)和音頻(pin)(pin)訊號(hao)(hao)處(chu)理(li)。這顆處(chu)理(li)器(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)的(de)核心電(dian)壓(ya)已(yi)降至(zhi)(zhi)1.2V或(huo)是更低,I/O和外圍(wei)電(dian)壓(ya)也開始減少至(zhi)(zhi)2.5V至(zhi)(zhi)3.0V范圍(wei);由于(yu)3.xG電(dian)話(hua)的(de)電(dian)流需求通常都超過(guo)2.G電(dian)話(hua),3.xG設(she)計人員(yuan)需要效率高于(yu)線性(xing)穩壓(ya)器(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)的(de)直(zhi)流電(dian)源轉換器(qi)(qi)(qi)(qi)(qi),以便(bian)提供更長(chang)的(de)電(dian)池使用(yong)時間。為(wei)進一(yi)步(bu)延長(chang)電(dian)池壽命,許多設(she)計人員(yuan)必須盡量利用(yong)鋰(li)離子電(dian)池電(dian)力,直(zhi)到其(qi)電(dian)壓(ya)降至(zhi)(zhi)最小值為(wei)止;在(zai)(zai)此過(guo)程中,如(ru)何產生3.3V電(dian)壓(ya)就(jiu)變成一(yi)項(xiang)挑戰。

    從(cong)表(biao)(biao)面上來(lai)看(kan),設計(ji)人員若(ruo)能繼(ji)續使用(yong)電(dian)池(chi)直(zhi)到(dao)(dao)2.7V,并(bing)利用(yong)正電(dian)源降壓(ya)―升(sheng)壓(ya)轉換(huan)(huan)器(qi)或(huo)是(shi)SEPIC轉換(huan)(huan)器(qi)提供(gong)3.3V電(dian)源,可攜式裝置的(de)電(dian)池(chi)壽命就(jiu)會大幅延長,但是(shi)根據(表(biao)(biao)一)針(zhen)對(dui)600mAh電(dian)池(chi)所做的(de)簡單分析可發現情形并(bing)非如此,因為(wei)無論是(shi)采(cai)(cai)用(yong)效率更高的(de)降壓(ya)轉換(huan)(huan)器(qi),并(bing)將電(dian)池(chi)使用(yong)到(dao)(dao)3.3V,或(huo)是(shi)采(cai)(cai)用(yong)SEPIC之類的(de)轉換(huan)(huan)器(qi),并(bing)將電(dian)池(chi)電(dian)力完全(quan)用(yong)盡,這(zhe)兩種方式的(de)供(gong)電(dian)時間幾乎(hu)沒(mei)有任何區別。

    

 

    表一60mAh電池(chi)分析

    除此之外,無(wu)論是使(shi)用兩顆電感的(de)SEPIC轉(zhuan)(zhuan)換(huan)器(qi)(qi),或是某些效(xiao)率更高的(de)新型正電源降(jiang)壓―升壓轉(zhuan)(zhuan)換(huan)器(qi)(qi),它們的(de)成本都更高,因此在做整(zheng)體評(ping)估時,只使(shi)用3.3V以上的(de)電池電力(li),然后(hou)利用高效(xiao)率交換(huan)式(shi)電源轉(zhuan)(zhuan)換(huan)器(qi)(qi)提(ti)供(gong)3.3V電源的(de)方法(fa)不但更有效(xiao)率,還可能是更具吸引力(li)的(de)選擇。以下介紹的(de)離(li)散解(jie)決方案就是使(shi)用降(jiang)壓轉(zhuan)(zhuan)換(huan)器(qi)(qi)提(ti)供(gong)3.3V電源,整(zheng)合式(shi)解(jie)決方案則采(cai)用SEPIC轉(zhuan)(zhuan)換(huan)器(qi)(qi)。

   系統概述

    不(bu)同(tong)的(de)(de)(de)智能型手機(ji)零件有著不(bu)同(tong)的(de)(de)(de)電(dian)源(yuan)需求,(圖二(er))是(shi)行(xing)動(dong)電(dian)話中(zhong)需要電(dian)源(yuan)的(de)(de)(de)主要零件簡單(dan)方(fang)塊圖,例如射頻(pin)單(dan)元的(de)(de)(de)壓(ya)控(kong)振蕩器(qi)（VCO）以及鎖相回路（PLL）就需要極低噪聲和(he)很高(gao)(gao)電(dian)源(yuan)拒斥比(bi)的(de)(de)(de)電(dian)源(yuan),確保(bao)(bao)它們提(ti)供最(zui)高(gao)(gao)的(de)(de)(de)傳(chuan)送(song)和(he)接收(shou)效(xiao)能,因此(ci)雖然線(xian)性(xing)穩壓(ya)器(qi)的(de)(de)(de)效(xiao)率不(bu)高(gao)(gao),但由于(yu)它沒有輸出漣波,所以是(shi)這類電(dian)源(yuan)供應的(de)(de)(de)最(zui)佳(jia)選擇;同(tong)樣重要的(de)(de)(de)是(shi)將(jiang)直流轉(zhuan)換器(qi)的(de)(de)(de)開關頻(pin)率,還(huan)有它們的(de)(de)(de)二(er)階和(he)三(san)階諧波,都保(bao)(bao)持在中(zhong)頻(pin)頻(pin)帶之外。

    由于DSP和中央(yang)處理(li)器的(de)(de)核心電(dian)壓已降(jiang)至1V左右,以(yi)電(dian)感(gan)為(wei)基礎的(de)(de)高(gao)效(xiao)率交(jiao)換(huan)式(shi)降(jiang)壓轉換(huan)器是理(li)想選擇。至于屏幕背光(guang)照(zhao)明所使用的(de)(de)白光(guang)二極(ji)管,其電(dian)源可來自(zi)電(dian)荷泵(beng)浦或電(dian)感(gan)式(shi)升(sheng)壓／降(jiang)壓轉換(huan)器。

    圖(tu)二智(zhi)能(neng)型手機(ji)電源方塊圖(tu)

    動態電壓(ya)調整（DynamicVoltageScaling）

    從圖(tu)一可看出,電源需求最高的兩顆零件是(shi)(shi)在(zai)(zai)射頻單元,分(fen)別是(shi)(shi)發射機的功率放(fang)大器和基(ji)頻處理器。隨(sui)著電話(hua)與基(ji)地臺之間(jian)的距離不同,功率放(fang)大器在(zai)(zai)通話(hua)過程中(zhong)最多消(xiao)耗75％的總功耗,待命模式則只有(you)30％。采用非線性功率放(fang)大器的舊(jiu)型(xing)GSM電話(hua)發射機的典型(xing)工作效率約為50％,但是(shi)(shi)WCDMA等較(jiao)新標準卻同時(shi)需要振幅及(ji)相位(wei)調變,這只有(you)工作效率在(zai)(zai)25％至35％之間(jian)的線性放(fang)大器可以(yi)提供。

    除此(ci)之(zhi)外,CDMA20001x手機的正常(chang)基頻處(chu)理(li)器(qi)負載需求是在(zai)60至120mA范圍,因(yin)此(ci)提供最有效率的電源給功率放大(da)器(qi)和處(chu)理(li)器(qi)就顯得極為(wei)重要。

    動態(tai)／可適(shi)性電(dian)壓(ya)調整(zheng)技術（DVS/AVS）與高整(zheng)合度(du)組件所使用的(de)方式很類(lei)似,它會(hui)把閉回路系(xi)(xi)統中的(de)處理(li)器(qi)(qi)和穩壓(ya)器(qi)(qi)連結在(zai)(zai)(zai)一起,并在(zai)(zai)(zai)確(que)保系(xi)(xi)統正(zheng)常(chang)工作的(de)情形(xing)下(xia),將數(shu)字(zi)電(dian)源供應(ying)的(de)輸出電(dian)壓(ya)動態(tai)調整(zheng)至最(zui)小值。功(gong)(gong)(gong)率(lv)(lv)(lv)放大(da)(da)器(qi)(qi)會(hui)被最(zui)佳化,使它在(zai)(zai)(zai)最(zui)大(da)(da)傳(chuan)送功(gong)(gong)(gong)率(lv)(lv)(lv)下(xia)擁有最(zui)高效率(lv)(lv)(lv)。由于絕大(da)(da)多(duo)數(shu)手機都(dou)在(zai)(zai)(zai)基地臺附近工作,手機的(de)無線(xian)電(dian)功(gong)(gong)(gong)能會(hui)在(zai)(zai)(zai)維持(chi)通訊質量的(de)前(qian)題下(xia),將傳(chuan)送功(gong)(gong)(gong)率(lv)(lv)(lv)降(jiang)至最(zui)低(di)水(shui)平(ping)。當功(gong)(gong)(gong)率(lv)(lv)(lv)放大(da)(da)器(qi)(qi)在(zai)(zai)(zai)較低(di)的(de)功(gong)(gong)(gong)率(lv)(lv)(lv)水(shui)平(ping)下(xia)工作時,它的(de)效率(lv)(lv)(lv)會(hui)受到影響,從(圖(tu)三)可以看出,利(li)用動態(tai)電(dian)壓(ya)調整(zheng)技術來(lai)調整(zheng)功(gong)(gong)(gong)率(lv)(lv)(lv)放大(da)(da)器(qi)(qi)的(de)電(dian)壓(ya),它的(de)工作效率(lv)(lv)(lv)會(hui)增(zeng)加10％至20％。

 

    圖三功率放大器(qi)效率

    數字處(chu)理器的功(gong)(gong)(gong)耗正比于電(dian)(dian)壓平(ping)方(fang),因此(ci)中央處(chu)理器也能(neng)采用動態電(dian)(dian)壓調(diao)整技(ji)術;當中央處(chu)理器進入待命模式或其它(ta)功(gong)(gong)(gong)能(neng)精簡模式,它(ta)就能(neng)在(zai)較(jiao)低(di)的頻率頻率下工作(zuo),此(ci)時可將處(chu)理器電(dian)(dian)壓降低(di),以便減少(shao)功(gong)(gong)(gong)耗,提升工作(zuo)效率,延(yan)長電(dian)(dian)池壽命。

    就(jiu)以OMAP1510為例,假設(she)它的電(dian)源是由TPS62200供(gong)應(ying),并使用(yong)1安培小時的3.6V鋰(li)離(li)子(zi)電(dian)池(chi)輸入,其它特性包括：

    ●睡(shui)眠模式(shi)（TPS62200采用(yong)PFM調變）未用(yong)動態電壓調整：Vout=1.5V@300μA;效(xiao)率=93％

    ●正常(chang)工作模式（TPS62200采用PWM調變）：Vout=1.5V@100mA;效(xiao)率=96％

    假設(she)此組件95％時間處于(yu)睡(shui)眠模式(shi),5％時間處于(yu)正常工作模式(shi),則從輸出功(gong)率與時間的關系(xi)圖可看出,將動(dong)態電壓調整技術用于(yu)睡(shui)眠模式(shi),電池壽命會(hui)最(zui)多延(yan)長9個小時。

離散解決方案

    (圖四)是利用(yong)離散組(zu)件實作(zuo)的(de)電(dian)源管理系統,電(dian)池電(dian)壓限制為3.3V。

    圖四利(li)用離散組件(jian)實作的電源(yuan)管(guan)理系統

    在(zai)這(zhe)個解決方案中,就算鋰離子電(dian)池下降至3.3V左右,在(zai)100％負載周期模式下工作的高(gao)效(xiao)率TPS62200降壓(ya)轉換器(qi)仍能提供3.3V的I/O電(dian)壓(ya)。上(shang)述所有零件(jian)(jian)都(dou)采(cai)用SOT-23封裝(zhuang),除了bq24020電(dian)池充電(dian)組(zu)件(jian)(jian)、TPS61020升壓(ya)轉換器(qi)以及(ji)TPS61042白光二(er)極管(guan)驅動組(zu)件(jian)(jian)之(zhi)外,它們(men)是(shi)采(cai)用3×3平方厘米的QFN封裝(zhuang)。TPS61040和TPS61042還內建上(shang)端FET晶體管(guan),每(mei)顆(ke)組(zu)件(jian)(jian)只需要(yao)一個外接二(er)極管(guan)。bq24020、TPS622xx、TPS61020和線性穩壓(ya)器(qi)組(zu)件(jian)(jian)全都(dou)內建FET晶體管(guan),功(gong)率放大器(qi)和中央(yang)處(chu)理器(qi)電(dian)源采(cai)用的動態電(dian)壓(ya)調整技(ji)術可(ke)以提高(gao)每(mei)顆(ke)零件(jian)(jian)的效(xiao)率,進而協助降低功(gong)耗。

    整(zheng)合解(jie)決(jue)方案(an)

    最(zui)新制(zhi)程(cheng)技術(shu)使得工程(cheng)師更容易結合(he)、迅速修(xiu)改以及／或是利用(yong)現有的(de)(de)(de)(de)離散(san)組(zu)件設(she)計,以便提供(gong)不同(tong)整(zheng)合(he)程(cheng)度的(de)(de)(de)(de)半導體芯(xin)片,例(li)如通(tong)用(yong)的(de)(de)(de)(de)雙通(tong)道交換(huan)式(shi)轉(zhuan)換(huan)器和(he)電(dian)源拒斥(chi)比很(hen)高而噪聲很(hen)低的(de)(de)(de)(de)雙信(xin)道線性穩(wen)壓(ya)器、特殊應(ying)用(yong)白光二極管(guan)的(de)(de)(de)(de)電(dian)源供(gong)應(ying)以及行動電(dian)話、PDA和(he)數字相(xiang)機的(de)(de)(de)(de)多(duo)電(dian)源管(guan)理解決方(fang)案,這(zhe)些產品都(dou)已(yi)開始供(gong)應(ying)。專門支持終端設(she)備的(de)(de)(de)(de)電(dian)源組(zu)件則會內建各種外圍(wei),其范圍(wei)從行動電(dian)話的(de)(de)(de)(de)響鈴器和(he)蜂鳴器到(dao)PDA的(de)(de)(de)(de)通(tong)用(yong)I/O接(jie)腳,例(li)如圖四整(zheng)合(he)解決方(fang)案所(suo)使用(yong)的(de)(de)(de)(de)TPS65010就是這(zhe)類組(zu)件。

 

    圖五整合式(shi)解(jie)決(jue)方案(an)

    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)力,直到(dao)(dao)電(dian)(dian)池電(dian)(dian)壓(ya)降(jiang)(jiang)至(zhi)最低水平（大約2.7V）。和(he)離散解決方(fang)案一樣,穩(wen)壓(ya)器(qi)(qi)輸出(chu)也來自3.3V輸入電(dian)(dian)源,以便提高工作效(xiao)率(lv)(lv)(lv)。TPS65010采(cai)用(yong)48只接腳QFN封(feng)裝,這些組件都(dou)內建FET晶體管。TPS61130SEPIC轉換器(qi)(qi)采(cai)用(yong)4×4平方(fang)厘米(mi)QFN封(feng)裝,并且內建FET晶體管,最高達到(dao)(dao)90％以上效(xiao)率(lv)(lv)(lv),TPS5100則是三(san)通道輸出(chu)控(kong)制器(qi)(qi),專門用(yong)來提供電(dian)(dian)源給顯示器(qi)(qi)。功率(lv)(lv)(lv)放大器(qi)(qi)和(he)中央(yang)處理器(qi)(qi)電(dian)(dian)源使用(yong)的動(dong)態電(dian)(dian)壓(ya)調整技術可以改善每顆零件的效(xiao)率(lv)(lv)(lv),進而(er)協助降(jiang)(jiang)低功耗。

    離散或整合？

    如何在離(li)散(san)或整(zheng)(zheng)合解(jie)決方案之(zhi)(zhi)間做出抉擇？一般說來(lai),整(zheng)(zheng)合組件(jian)的(de)(de)成本會低于同(tong)樣(yang)(yang)等級(ji)的(de)(de)多(duo)顆(ke)離(li)散(san)零件(jian);除此之(zhi)(zhi)外,如同(tong)(圖(tu)六(liu))的(de)(de)電路板(ban)布局所示,相較于執行同(tong)樣(yang)(yang)功能的(de)(de)多(duo)顆(ke)離(li)散(san)零件(jian),TPS65010以(yi)及與(yu)其搭配的(de)(de)被動零件(jian)只需較少的(de)(de)電路板(ban)空間,這(zhe)主要是因為離(li)散(san)零件(jian)之(zhi)(zhi)間需要額(e)外空間來(lai)容納訊號(hao)線路。由于TPS65010還包含(han)原來(lai)由離(li)散(san)零件(jian)提(ti)供的(de)(de)其它功能,例如電源供應(ying)順序、振動器和二(er)極管驅動組件(jian),因此整(zheng)(zheng)合解(jie)決方案可以(yi)節(jie)省更多(duo)電路板(ban)面積。

  

 

 

    圖六TPS65010與同等級離散解(jie)決方(fang)案的電路(lu)板(ban)布比較

    整(zheng)合組(zu)件過去(qu)主(zhu)要支持(chi)特殊應用,彈性也不是(shi)很高,因此在設計(ji)流程后期(qi),它們就(jiu)無(wu)法再進行(xing)重大的(de)設計(ji)變(bian)更。然(ran)而新的(de)制程技(ji)術,包(bao)括支持(chi)可(ke)程序(xu)輸出(chu)電壓以及封裝后調(diao)整(zheng)的(de)整(zheng)合式EEPROM,卻使(shi)得工(gong)程師能以更低成本,更簡單(dan)快速的(de)對現(xian)有(you)組(zu)件（也就(jiu)是(shi)不同固定輸出(chu)電壓的(de)組(zu)件）重復進行(xing)簡單(dan)修改(gai)。另一(yi)(yi)方面,整(zheng)合組(zu)件的(de)供貨商通常(chang)只有(you)一(yi)(yi)家(jia),這可(ke)能迫使(shi)廠商必須采用離(li)散(san)解決方案(an)。

    未來(lai)挑(tiao)戰

    消費者想要操作(zuo)時(shi)間更(geng)長(chang)的(de)智能(neng)型(xing)手機,新(xin)發展的(de)半導體制程技術(shu)已能(neng)減少泄漏電(dian)流和阻(zu)抗（有時(shi)透過銅(tong)覆蓋層）,使得FET晶體管的(de)靜(jing)態電(dian)流更(geng)低(di),導通(tong)阻(zu)抗也變(bian)得更(geng)小。然而不同于持(chi)續進(jin)步(bu)中的(de)半導體技術(shu),電(dian)池(chi)技術(shu)卻(que)沒有任何重大(da)進(jin)展,無法(fa)在不增加電(dian)池(chi)體積的(de)情形下延長(chang)供電(dian)時(shi)間。

    電(dian)(dian)(dian)容(rong)器(qi)(qi)技術的(de)(de)某些(xie)進展使(shi)得充電(dian)(dian)(dian)電(dian)(dian)(dian)池(chi)和電(dian)(dian)(dian)容(rong)器(qi)(qi)之間的(de)(de)界限日益模糊,許多可攜式產(chan)品(pin)已開始使(shi)用(yong)(yong)高(gao)(gao)(gao)(gao)能量超(chao)級電(dian)(dian)(dian)容(rong)器(qi)(qi)（supercapacitor）,做為消費者(zhe)更(geng)換電(dian)(dian)(dian)池(chi)時(shi)的(de)(de)暫時(shi)電(dian)(dian)(dian)力來源;另(ling)外,高(gao)(gao)(gao)(gao)能量暨(ji)高(gao)(gao)(gao)(gao)功率的(de)(de)超(chao)高(gao)(gao)(gao)(gao)電(dian)(dian)(dian)容(rong)器(qi)(qi)（ultracapacitor）還能在短時(shi)間內提供很大電(dian)(dian)(dian)流,讓電(dian)(dian)(dian)池(chi)不(bu)(bu)必瞬間供應龐大電(dian)(dian)(dian)力,可以延長電(dian)(dian)(dian)池(chi)的(de)(de)使(shi)用(yong)(yong)時(shi)間。這些(xie)超(chao)高(gao)(gao)(gao)(gao)電(dian)(dian)(dian)容(rong)器(qi)(qi)會(hui)整合至(zhi)電(dian)(dian)(dian)池(chi)封裝內,并在系統電(dian)(dian)(dian)力需求不(bu)(bu)太高(gao)(gao)(gao)(gao)時(shi),利用(yong)(yong)微小電(dian)(dian)(dian)流充電(dian)(dian)(dian)。

    燃料電池(chi)(chi)近來是(shi)熱(re)門話題(ti),但由于外形包(bao)裝尚未標(biao)準化(hua),使(shi)得燃料電池(chi)(chi)的廣(guang)泛應用(yong)受(shou)到影響,商業化(hua)過程也不太順利。燃料電池(chi)(chi)的輸(shu)出瞬時響應也很(hen)糟糕,因此至少在最初階(jie)段燃料電池(chi)(chi)只會做為普通電池(chi)(chi)的補強(qiang)裝置,無(wu)法取代普通電池(chi)(chi)。

    消(xiao)費者還希望(wang)產品的(de)體積更(geng)(geng)(geng)小(xiao)(xiao),功能(neng)更(geng)(geng)(geng)加強大,創新的(de)電(dian)源管理組件設計以及封裝(zhuang)和(he)制程(cheng)(cheng)技(ji)(ji)術的(de)進步都(dou)能(neng)幫助(zhu)實現此目標(biao)。日益精密的(de)制程(cheng)(cheng)技(ji)(ji)術可以制造(zao)出越來越小(xiao)(xiao)的(de)FET晶(jing)體管,讓(rang)晶(jing)粒和(he)封裝(zhuang)的(de)體積更(geng)(geng)(geng)小(xiao)(xiao),工作電(dian)壓更(geng)(geng)(geng)低,閘極電(dian)容更(geng)(geng)(geng)少,使得(de)晶(jing)體管的(de)開關(guan)速度更(geng)(geng)(geng)快

    ―對(dui)于以電感為基礎的(de)(de)交換式電源供應,更(geng)快(kuai)的(de)(de)開(kai)關速度(du)意(yi)味著更(geng)小的(de)(de)電感。新封(feng)裝技術(shu)則能(neng)在(zai)(zai)更(geng)小的(de)(de)封(feng)裝中容納更(geng)多(duo)功(gong)(gong)能(neng),并且承受更(geng)大(da)的(de)(de)功(gong)(gong)耗,例如內建FET開(kai)關的(de)(de)鋰離(li)子電池線(xian)性充電組件bq24010就采(cai)用3×3平方(fang)厘米的(de)(de)QFN封(feng)裝,它在(zai)(zai)普通室(shi)溫環(huan)境下(xia),最高能(neng)承受1.5W功(gong)(gong)耗。

    要在(zai)(zai)較(jiao)低的(de)(de)(de)(de)工作(zuo)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)壓(ya)下提供(gong)(gong)更(geng)(geng)強(qiang)大(da)功(gong)能(neng),電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)源管理(li)單(dan)元和低噪聲布局的(de)(de)(de)(de)容(rong)忍(ren)要求通常也會(hui)變(bian)的(de)(de)(de)(de)更(geng)(geng)嚴(yan)格,例(li)如系統(tong)若要求1.2V電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)源的(de)(de)(de)(de)誤差小(xiao)于±3%,就表示(shi)輸出電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)壓(ya)變(bian)動幅度不(bu)能(neng)超(chao)過±36mV;相(xiang)形之下,使用(yong)3.3V電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)源就表示(shi)在(zai)(zai)同樣的(de)(de)(de)(de)±3%誤差限(xian)制下,它能(neng)容(rong)忍(ren)的(de)(de)(de)(de)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)壓(ya)變(bian)動高達±99mV。由于電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)源電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)壓(ya)不(bu)斷降低,未來幾(ji)年(nian)內對(dui)于誤差更(geng)(geng)小(xiao)、電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)流(liu)更(geng)(geng)大(da)、效率(lv)更(geng)(geng)高和電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)磁干擾極低的(de)(de)(de)(de)直流(liu)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)源轉換(huan)器的(de)(de)(de)(de)需求將會(hui)增(zeng)加。除此(ci)之外,隨著封裝縮小(xiao),可供(gong)(gong)散熱的(de)(de)(de)(de)面(mian)積也會(hui)減(jian)少,讓這些高功(gong)耗組件的(de)(de)(de)(de)熱管理(li)繼續成為困難(nan)挑戰。

    整合的力量

    本(ben)文介紹的(de)電(dian)源(yuan)(yuan)解(jie)決方案使用不(bu)(bu)同整(zheng)合(he)(he)(he)程度的(de)電(dian)源(yuan)(yuan)組(zu)件(jian)(jian)。把部(bu)份(fen)或全部(bu)的(de)模擬電(dian)源(yuan)(yuan)組(zu)件(jian)(jian)和(he)基(ji)頻處(chu)理(li)(li)器等(deng)數(shu)字零件(jian)(jian)整(zheng)合(he)(he)(he)在一起會帶來(lai)許多(duo)優點,包括(kuo)節省更(geng)多(duo)的(de)電(dian)路(lu)(lu)板面積,并(bing)且降低總成本(ben)。復雜(za)電(dian)子系統的(de)每個(ge)部(bu)份(fen)都(dou)有著不(bu)(bu)同的(de)需(xu)求(qiu),這(zhe)是過去實(shi)現更(geng)高(gao)(gao)階(jie)數(shu)字和(he)模擬零件(jian)(jian)整(zheng)合(he)(he)(he)的(de)障礙之(zhi)一,例如數(shu)字基(ji)頻單元需(xu)要(yao)高(gao)(gao)密度制程以支持數(shu)字訊(xun)號處(chu)理(li)(li),模擬基(ji)頻和(he)電(dian)源(yuan)(yuan)功能(neng)需(xu)要(yao)電(dian)壓(ya)更(geng)高(gao)(gao)的(de)組(zu)件(jian)(jian);射頻單元,特別是鎖相回(hui)路(lu)(lu),則需(xu)要(yao)最適合(he)(he)(he)支持高(gao)(gao)頻操作的(de)BiCMOS組(zu)件(jian)(jian)。

    傳統上(shang),制(zhi)程發(fa)展(zhan)是由數(shu)字設計(ji)人員(yuan)負責管理,他(ta)們(men)通常只會推動高(gao)(gao)密(mi)度制(zhi)程發(fa)展(zhan),電路若需(xu)(xu)要(yao)高(gao)(gao)電壓(ya)組(zu)(zu)件(jian),就必(bi)須采用(yong)不同制(zhi)程,這表示他(ta)們(men)需(xu)(xu)要(yao)獨(du)立的數(shu)字組(zu)(zu)件(jian)。半導體廠商不但(dan)開(kai)始發(fa)展(zhan)「最(zui)(zui)小閘極長度」更(geng)短的BiCMOS制(zhi)程,以(yi)便提供(gong)很高(gao)(gao)的組(zu)(zu)件(jian)密(mi)度和(he)工作(zuo)速度,還有更(geng)高(gao)(gao)電壓(ya)的汲極延(yan)伸型組(zu)(zu)件(jian)（drainextendeddevices）,它們(men)已用(yong)于更(geng)多(duo)的模擬(ni)(ni)和(he)電源(yuan)應用(yong)。包括電源(yuan)管理在內(nei)的許多(duo)模擬(ni)(ni)和(he)數(shu)字功能(neng)最(zui)(zui)后都會整(zheng)合成單(dan)顆芯片。

    不同程(cheng)度的(de)(de)組件整合正(zheng)在簡(jian)化(hua)可(ke)攜(xie)式電(dian)(dian)源(yuan)設計,尤其是可(ke)攜(xie)式產品的(de)(de)系統設計人員,他們(men)不必再擔心(xin)組件的(de)(de)電(dian)(dian)源(yuan)需(xu)求(qiu)管(guan)理,整合程(cheng)度不同的(de)(de)電(dian)(dian)源(yuan)管(guan)理組件可(ke)以幫(bang)助他們(men)讓電(dian)(dian)池提(ti)供最長供電(dian)(dian)時(shi)間,同時(shi)將電(dian)(dian)路板面積(ji)和成本減至(zhi)最少(shao)。