當今科技所需求的手機電池除了(le)要能夠長時(shi)間供應穩定電源外,體積(ji)小重量(liang)輕也是(shi)關鍵(jian)。縮小電路板面(mian)積(ji)、增長供電時(shi)間與減少(shao)成本該(gai)如何(he)畢其功于一役(yi)？將(jiang)眾多電源管理組件整合在(zai)單一芯片上(shang)將(jiang)是(shi)解決問題(ti)的最好(hao)途徑(jing)。

    早期的(de)(de)(de)行動(dong)電(dian)(dian)話不是(shi)體積笨重龐大,就是(shi)必須受到汽車電(dian)(dian)池(chi)的(de)(de)(de)束(shu)縛,但經(jing)過(guo)長時間的(de)(de)(de)發(fa)展,今天的(de)(de)(de)行動(dong)電(dian)(dian)話已變得非常輕(qing)巧,除了電(dian)(dian)話功能,它(ta)們還會(hui)做許多(duo)事。新型3.xG智能型手機(ji)把傳統的(de)(de)(de)2G行動(dong)電(dian)(dian)話和多(duo)種其(qi)它(ta)功能結合在一(yi)(yi)起,包括PDA、數(shu)字相機(ji)、音樂播放機(ji)（MP3）以及全(quan)球定位(wei)系統（GPS）。如此(ci)多(duo)元的(de)(de)(de)功能需要許多(duo)零件,其(qi)中絕(jue)大多(duo)數(shu)的(de)(de)(de)電(dian)(dian)源電(dian)(dian)壓并不相同,電(dian)(dian)流需求(qiu)則不斷增加,使得它(ta)們需要更(geng)多(duo)電(dian)(dian)力。(圖一(yi)(yi))是(shi)從2G語音電(dian)(dian)話升(sheng)級到3G視訊電(dian)(dian)話后,功率需求(qiu)增加的(de)(de)(de)估計(ji)值(zhi)。

 

 

    圖一功耗值

    在此(ci)同(tong)時,消費者卻(que)想要更精(jing)巧(qiao)的(de)手機。本文介紹(shao)兩(liang)種電(dian)(dian)源管理(li)系(xi)統(tong),它們可以(yi)協(xie)助(zhu)智能型手機設計(ji)人員在彼(bi)此(ci)沖突(tu)的(de)目標間(jian)(jian)取得平衡,例如將封裝(zhuang)減至最小,同(tong)時支持更大的(de)功率(lv)需求;實現最佳效率(lv),讓電(dian)(dian)池提供最長的(de)使用時間(jian)(jian);以(yi)及將電(dian)(dian)源噪聲(sheng)和(he)漣波降至可接受水平,以(yi)支持新(xin)世(shi)代(dai)的(de)行動電(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(ze)是目前僅有的兩種實(shi)際選擇。鋰(li)離(li)子電(dian)(dian)池(chi)的單位(wei)體積蓄電(dian)(dian)量(liang)(liang)(liang)為270～300Wh/l,單位(wei)重量(liang)(liang)(liang)蓄電(dian)(dian)量(liang)(liang)(liang)為110～130Wh/kg,都高(gao)于鎳(nie)氫電(dian)(dian)池(chi)的220～300Wh/l以及75～100Wh/kg,因此在同樣蓄電(dian)(dian)量(liang)(liang)(liang)下(xia),鋰(li)離(li)子電(dian)(dian)池(chi)的體積和重量(liang)(liang)(liang)都小于鎳(nie)氫電(dian)(dian)池(chi);另外,鋰(li)離(li)子電(dian)(dian)池(chi)的3.6V工作電(dian)(dian)壓也高(gao)于鎳(nie)氫電(dian)(dian)池(chi)的1.2V。

    行動電(dian)(dian)話的多數功(gong)耗都(dou)來自于1.2V和3.3V電(dian)(dian)源,要讓交換(huan)式電(dian)(dian)源轉(zhuan)換(huan)器發揮最(zui)大工作效(xiao)(xiao)率,較有效(xiao)(xiao)的方法通常是(shi)從高(gao)(gao)電(dian)(dian)壓(ya)轉(zhuan)換(huan)至(zhi)低電(dian)(dian)壓(ya),而不是(shi)從低電(dian)(dian)壓(ya)轉(zhuan)換(huan)至(zhi)高(gao)(gao)電(dian)(dian)壓(ya),因此(ci)鋰(li)離子電(dian)(dian)池是(shi)最(zui)佳(jia)選(xuan)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(dian)流,以(yi)便提供快速的充(chong)電(dian)周期時間(jian)。

    電(dian)池(chi)(chi)(chi)監視和(he)保護組件(jian)(jian)通常都與(yu)電(dian)池(chi)(chi)(chi)封裝(zhuang)在一起,電(dian)池(chi)(chi)(chi)監視組件(jian)(jian)可以是簡(jian)單的(de)「電(dian)荷計量器」（coulombcounter）,由中央處理器負責計算電(dian)池(chi)(chi)(chi)剩(sheng)余(yu)(yu)電(dian)力;也可以是內建微控制(zhi)器的(de)電(dian)池(chi)(chi)(chi)電(dian)力量測(ce)組件(jian)(jian)（gasgauge）,由它(ta)透過DSP與(yu)處理器之間的(de)簡(jian)單界(jie)面,直接(jie)提供剩(sheng)余(yu)(yu)電(dian)力、剩(sheng)余(yu)(yu)供電(dian)時間、電(dian)池(chi)(chi)(chi)電(dian)壓、溫度和(he)平均電(dian)流量測(ce)值等資料(liao)。

    電(dian)源(yuan)拓樸

    接著(zhu),設計工程師(shi)必須決(jue)定電源(yuan)轉換(huan)(huan)組件(jian)的(de)(de)種類,它(ta)或許是(shi)以電感(gan)(gan)為(wei)基礎、并且(qie)內(nei)建FET開關的(de)(de)交換(huan)(huan)式(shi)電源(yuan)轉換(huan)(huan)器(qi)、無電感(gan)(gan)的(de)(de)交換(huan)(huan)式(shi)電源(yuan)轉換(huan)(huan)器(qi)（電荷(he)(he)泵浦(pu)）或是(shi)線(xian)(xian)性穩壓(ya)器(qi)。這些轉換(huan)(huan)器(qi)各有其(qi)優點。就(jiu)效率(lv)而言,以電感(gan)(gan)為(wei)基礎的(de)(de)轉換(huan)(huan)器(qi)擁有最(zui)高的(de)(de)整體(ti)效率(lv),其(qi)次(ci)是(shi)電荷(he)(he)泵浦(pu),最(zui)后才(cai)是(shi)線(xian)(xian)性穩壓(ya)器(qi)。成本(ben)通(tong)常(chang)反(fan)比于效率(lv),因(yin)此線(xian)(xian)性穩壓(ya)器(qi)成本(ben)最(zui)低(di),然后是(shi)電荷(he)(he)泵浦(pu),最(zui)后則是(shi)以電感(gan)(gan)為(wei)基礎的(de)(de)轉換(huan)(huan)器(qi)。

  線(xian)性穩壓(ya)(ya)器沒有(you)輸(shu)出(chu)(chu)漣波,電(dian)(dian)荷泵(beng)浦(pu)有(you)一些(xie)輸(shu)出(chu)(chu)漣波,交換式(shi)穩壓(ya)(ya)器的輸(shu)出(chu)(chu)漣波則在三者之間最高(gao)。就整個(ge)解決方(fang)案的體(ti)積來看,線(xian)性穩壓(ya)(ya)器的體(ti)積最小(xiao),通(tong)常只需輸(shu)入和輸(shu)出(chu)(chu)電(dian)(dian)容(rong),電(dian)(dian)荷泵(beng)浦(pu)除了(le)輸(shu)入和輸(shu)出(chu)(chu)電(dian)(dian)容(rong)外,還(huan)需一顆(ke)或兩顆(ke)「飛馳」（flying）電(dian)(dian)容(rong),交換式(shi)穩壓(ya)(ya)器則需要(yao)電(dian)(dian)感器,因此其封裝體(ti)積會有(you)很大(da)差異。

    無論(lun)DSP或(huo)(huo)模擬(ni)數字轉(zhuan)換(huan)器等數字零(ling)件,或(huo)(huo)是電(dian)源(yuan)管理(li)(li)系(xi)統等模擬(ni)零(ling)件,2G電(dian)話(hua)幾乎不提供任何的功(gong)能整(zheng)合,系(xi)統設計人員在發展電(dian)源(yuan)管理(li)(li)系(xi)統時,通(tong)常會以成本和體積為優先考慮,而不是轉(zhuan)換(huan)效(xiao)率。線性穩壓(ya)(ya)器只(zhi)能將(jiang)輸入電(dian)壓(ya)(ya)轉(zhuan)換(huan)成更(geng)低的輸出電(dian)壓(ya)(ya),因此電(dian)池(chi)電(dian)壓(ya)(ya)必須高于3.3V,此時可利(li)用低電(dian)流(liu)或(huo)(huo)中電(dian)流(liu)的線性穩壓(ya)(ya)器進(jin)行電(dian)壓(ya)(ya)轉(zhuan)換(huan),以便提供電(dian)力給至(zhi)2.8V范圍內的其它電(dian)源(yuan)需求。

    在3G芯片組中,基頻(pin)處理(li)(li)(li)器(qi)(qi)現已包含DSP、微處理(li)(li)(li)器(qi)(qi)／微控制器(qi)(qi)、模擬數字(zi)轉換(huan)器(qi)(qi)和數字(zi)模擬轉換(huan)器(qi)(qi),用來控制射(she)頻(pin)訊號(hao)(hao)和音頻(pin)訊號(hao)(hao)處理(li)(li)(li)。這顆處理(li)(li)(li)器(qi)(qi)的(de)(de)核心電(dian)(dian)(dian)壓(ya)(ya)已降至(zhi)1.2V或是更低,I/O和外圍(wei)電(dian)(dian)(dian)壓(ya)(ya)也開始減少至(zhi)2.5V至(zhi)3.0V范圍(wei);由于3.xG電(dian)(dian)(dian)話的(de)(de)電(dian)(dian)(dian)流需求通常(chang)都(dou)超過2.G電(dian)(dian)(dian)話,3.xG設(she)計(ji)人員(yuan)需要效率(lv)高(gao)于線性(xing)穩(wen)壓(ya)(ya)器(qi)(qi)的(de)(de)直流電(dian)(dian)(dian)源轉換(huan)器(qi)(qi),以(yi)便提供(gong)更長的(de)(de)電(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)使用時間。為進(jin)一(yi)步延(yan)長電(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)壽命,許多設(she)計(ji)人員(yuan)必須盡量利用鋰(li)離子電(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)電(dian)(dian)(dian)力,直到其電(dian)(dian)(dian)壓(ya)(ya)降至(zhi)最小值為止;在此過程(cheng)中,如何(he)產生3.3V電(dian)(dian)(dian)壓(ya)(ya)就(jiu)變成(cheng)一(yi)項(xiang)挑戰(zhan)。

    從(cong)表(biao)面上來看,設計(ji)人員若能繼續使(shi)用(yong)電(dian)(dian)(dian)池(chi)直到(dao)2.7V,并(bing)(bing)利(li)用(yong)正電(dian)(dian)(dian)源降(jiang)壓―升壓轉換器或是(shi)SEPIC轉換器提供(gong)3.3V電(dian)(dian)(dian)源,可攜式裝(zhuang)置的(de)電(dian)(dian)(dian)池(chi)壽命(ming)就會大(da)幅(fu)延(yan)長,但是(shi)根據(ju)(表(biao)一)針對(dui)600mAh電(dian)(dian)(dian)池(chi)所做的(de)簡單分(fen)析可發現情形并(bing)(bing)非如此(ci),因為無論是(shi)采用(yong)效率更高的(de)降(jiang)壓轉換器,并(bing)(bing)將電(dian)(dian)(dian)池(chi)使(shi)用(yong)到(dao)3.3V,或是(shi)采用(yong)SEPIC之類(lei)的(de)轉換器,并(bing)(bing)將電(dian)(dian)(dian)池(chi)電(dian)(dian)(dian)力完(wan)全用(yong)盡(jin),這兩種方(fang)式的(de)供(gong)電(dian)(dian)(dian)時間幾乎沒有任何(he)區別(bie)。

    

 

    表一60mAh電池分(fen)析

    除此之外,無論是使(shi)用(yong)(yong)兩(liang)顆(ke)電(dian)感的(de)(de)SEPIC轉(zhuan)(zhuan)換(huan)(huan)器(qi)(qi),或(huo)是某(mou)些效(xiao)率(lv)更高的(de)(de)新型(xing)正電(dian)源(yuan)(yuan)降(jiang)壓―升壓轉(zhuan)(zhuan)換(huan)(huan)器(qi)(qi),它們(men)的(de)(de)成本都更高,因此在做整體評估(gu)時,只使(shi)用(yong)(yong)3.3V以上(shang)的(de)(de)電(dian)池電(dian)力(li),然(ran)后利(li)用(yong)(yong)高效(xiao)率(lv)交換(huan)(huan)式電(dian)源(yuan)(yuan)轉(zhuan)(zhuan)換(huan)(huan)器(qi)(qi)提(ti)供(gong)3.3V電(dian)源(yuan)(yuan)的(de)(de)方法不(bu)但更有效(xiao)率(lv),還(huan)可能是更具吸引力(li)的(de)(de)選擇。以下介(jie)紹的(de)(de)離散解(jie)決方案(an)就是使(shi)用(yong)(yong)降(jiang)壓轉(zhuan)(zhuan)換(huan)(huan)器(qi)(qi)提(ti)供(gong)3.3V電(dian)源(yuan)(yuan),整合式解(jie)決方案(an)則采用(yong)(yong)SEPIC轉(zhuan)(zhuan)換(huan)(huan)器(qi)(qi)。

   系統概述

    不(bu)(bu)同(tong)的(de)(de)智(zhi)能型(xing)手機零件有(you)著(zhu)不(bu)(bu)同(tong)的(de)(de)電(dian)源(yuan)需(xu)求,(圖二)是行動電(dian)話中需(xu)要電(dian)源(yuan)的(de)(de)主要零件簡單方(fang)塊圖,例如射頻單元的(de)(de)壓控振蕩器（VCO）以(yi)及(ji)鎖相(xiang)回路（PLL）就需(xu)要極低噪聲和很高電(dian)源(yuan)拒斥(chi)比的(de)(de)電(dian)源(yuan),確(que)保它(ta)們(men)(men)提供(gong)最(zui)高的(de)(de)傳送和接收效能,因此雖然(ran)線性(xing)穩壓器的(de)(de)效率不(bu)(bu)高,但(dan)由(you)于它(ta)沒有(you)輸出(chu)漣波(bo),所以(yi)是這類(lei)電(dian)源(yuan)供(gong)應的(de)(de)最(zui)佳選擇(ze);同(tong)樣重(zhong)要的(de)(de)是將直流(liu)轉換器的(de)(de)開關(guan)頻率,還有(you)它(ta)們(men)(men)的(de)(de)二階和三階諧波(bo),都保持(chi)在中頻頻帶(dai)之外。

    由于DSP和中央處理器(qi)的(de)核(he)心電(dian)壓(ya)已降至1V左右,以電(dian)感(gan)為基礎的(de)高效(xiao)率交換(huan)式降壓(ya)轉(zhuan)換(huan)器(qi)是理想選擇(ze)。至于屏幕背光照明所使用的(de)白光二極管(guan),其(qi)電(dian)源可來自電(dian)荷泵浦或電(dian)感(gan)式升壓(ya)／降壓(ya)轉(zhuan)換(huan)器(qi)。

    圖二智能型手機電(dian)源(yuan)方塊圖

    動態電(dian)壓調整（DynamicVoltageScaling）

    從圖(tu)一可(ke)看出(chu),電源需求(qiu)最(zui)高的(de)兩顆零件(jian)是(shi)在(zai)射(she)(she)頻單元,分別是(shi)發射(she)(she)機的(de)功率(lv)放(fang)大(da)器(qi)和基頻處(chu)理器(qi)。隨著電話與基地臺之(zhi)間(jian)的(de)距離不同,功率(lv)放(fang)大(da)器(qi)在(zai)通話過(guo)程中(zhong)最(zui)多消耗75％的(de)總功耗,待命模式則只(zhi)有(you)30％。采用非(fei)線性功率(lv)放(fang)大(da)器(qi)的(de)舊型GSM電話發射(she)(she)機的(de)典(dian)型工作(zuo)效率(lv)約為50％,但是(shi)WCDMA等較新標準卻同時需要(yao)振幅及相位調變,這只(zhi)有(you)工作(zuo)效率(lv)在(zai)25％至35％之(zhi)間(jian)的(de)線性放(fang)大(da)器(qi)可(ke)以(yi)提供(gong)。

    除(chu)此之外,CDMA20001x手機的正常基頻處(chu)理(li)(li)器負載需求是在60至120mA范圍,因此提供最有效率(lv)(lv)的電源給功(gong)率(lv)(lv)放(fang)大器和(he)處(chu)理(li)(li)器就顯得極為重要。

    動(dong)態(tai)／可適性電(dian)壓調整(zheng)(zheng)技術(shu)（DVS/AVS）與高(gao)(gao)整(zheng)(zheng)合(he)度(du)組件所使用的(de)(de)(de)(de)(de)方(fang)式(shi)很(hen)類似,它會把(ba)閉回路系統中的(de)(de)(de)(de)(de)處理器(qi)(qi)和穩壓器(qi)(qi)連結在(zai)(zai)一(yi)起,并在(zai)(zai)確保系統正常工作的(de)(de)(de)(de)(de)情形下(xia)(xia)(xia),將(jiang)數字電(dian)源供應的(de)(de)(de)(de)(de)輸出(chu)電(dian)壓動(dong)態(tai)調整(zheng)(zheng)至(zhi)最(zui)小(xiao)值。功(gong)(gong)(gong)率(lv)(lv)(lv)(lv)放(fang)大(da)器(qi)(qi)會被(bei)最(zui)佳化(hua),使它在(zai)(zai)最(zui)大(da)傳送(song)功(gong)(gong)(gong)率(lv)(lv)(lv)(lv)下(xia)(xia)(xia)擁有最(zui)高(gao)(gao)效(xiao)率(lv)(lv)(lv)(lv)。由于(yu)絕大(da)多數手機(ji)都(dou)在(zai)(zai)基地臺(tai)附(fu)近工作,手機(ji)的(de)(de)(de)(de)(de)無線電(dian)功(gong)(gong)(gong)能(neng)會在(zai)(zai)維持(chi)通訊質(zhi)量(liang)的(de)(de)(de)(de)(de)前(qian)題下(xia)(xia)(xia),將(jiang)傳送(song)功(gong)(gong)(gong)率(lv)(lv)(lv)(lv)降至(zhi)最(zui)低(di)(di)水(shui)平(ping)。當功(gong)(gong)(gong)率(lv)(lv)(lv)(lv)放(fang)大(da)器(qi)(qi)在(zai)(zai)較(jiao)低(di)(di)的(de)(de)(de)(de)(de)功(gong)(gong)(gong)率(lv)(lv)(lv)(lv)水(shui)平(ping)下(xia)(xia)(xia)工作時,它的(de)(de)(de)(de)(de)效(xiao)率(lv)(lv)(lv)(lv)會受(shou)到影響,從(圖(tu)三(san))可以看出(chu),利用動(dong)態(tai)電(dian)壓調整(zheng)(zheng)技術(shu)來調整(zheng)(zheng)功(gong)(gong)(gong)率(lv)(lv)(lv)(lv)放(fang)大(da)器(qi)(qi)的(de)(de)(de)(de)(de)電(dian)壓,它的(de)(de)(de)(de)(de)工作效(xiao)率(lv)(lv)(lv)(lv)會增加10％至(zhi)20％。

 

    圖三功率放大(da)器(qi)效率

    數字處理(li)器的(de)功(gong)耗(hao)正比(bi)于電(dian)壓(ya)平(ping)方(fang),因此中央處理(li)器也(ye)能采用動態電(dian)壓(ya)調整技(ji)術(shu);當中央處理(li)器進入待命模式(shi)或其它功(gong)能精簡(jian)模式(shi),它就能在較低的(de)頻(pin)率(lv)頻(pin)率(lv)下工(gong)作(zuo),此時可將(jiang)處理(li)器電(dian)壓(ya)降低,以便減少功(gong)耗(hao),提升工(gong)作(zuo)效率(lv),延長電(dian)池壽命。

    就以(yi)OMAP1510為例,假設(she)它(ta)的電(dian)源是由(you)TPS62200供應,并(bing)使用1安(an)培小(xiao)時的3.6V鋰離(li)子(zi)電(dian)池輸(shu)入,其它(ta)特性(xing)包(bao)括：

    ●睡眠模式(shi)（TPS62200采用PFM調變）未用動(dong)態電壓(ya)調整(zheng)：Vout=1.5V@300μA;效率(lv)=93％

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

    假(jia)設此組件95％時(shi)間(jian)處(chu)于(yu)(yu)睡眠(mian)模(mo)式(shi)(shi),5％時(shi)間(jian)處(chu)于(yu)(yu)正常工作模(mo)式(shi)(shi),則從輸(shu)出(chu)功率與時(shi)間(jian)的(de)關系圖(tu)可(ke)看出(chu),將動態電(dian)(dian)壓調(diao)整技術用于(yu)(yu)睡眠(mian)模(mo)式(shi)(shi),電(dian)(dian)池壽命會最多延長9個小時(shi)。

離散解決方案

    (圖(tu)四)是利用(yong)離散組(zu)件實作的(de)電源管理系(xi)統,電池電壓(ya)限制為3.3V。

    圖四利用離散組件(jian)實作的電源管(guan)理系統

    在這個(ge)解決方案中,就算鋰離子電(dian)池(chi)下(xia)降(jiang)至3.3V左右,在100％負載周期模式下(xia)工作的高效率(lv)TPS62200降(jiang)壓(ya)轉(zhuan)換器(qi)仍能提供3.3V的I/O電(dian)壓(ya)。上(shang)述所有零件都采(cai)用SOT-23封裝,除了bq24020電(dian)池(chi)充電(dian)組件、TPS61020升壓(ya)轉(zhuan)換器(qi)以及TPS61042白光二極管(guan)驅動組件之外(wai),它們是(shi)采(cai)用3×3平方厘米的QFN封裝。TPS61040和(he)(he)TPS61042還內建上(shang)端FET晶(jing)體管(guan),每(mei)顆組件只需要一個(ge)外(wai)接(jie)二極管(guan)。bq24020、TPS622xx、TPS61020和(he)(he)線(xian)性穩壓(ya)器(qi)組件全都內建FET晶(jing)體管(guan),功率(lv)放大器(qi)和(he)(he)中央處理器(qi)電(dian)源(yuan)采(cai)用的動態電(dian)壓(ya)調整技(ji)術(shu)可以提高每(mei)顆零件的效率(lv),進而協(xie)助(zhu)降(jiang)低功耗。

    整合解決方(fang)案

    最(zui)新制程技術使得工程師(shi)更容易結(jie)合、迅速修改以(yi)及／或是利用(yong)現有的(de)(de)離散組(zu)件(jian)設計,以(yi)便提供(gong)不(bu)同整(zheng)合程度的(de)(de)半導(dao)體芯片,例如(ru)通用(yong)的(de)(de)雙(shuang)通道交換(huan)式轉換(huan)器(qi)(qi)和(he)電(dian)源(yuan)(yuan)拒斥比很高而(er)噪聲(sheng)很低的(de)(de)雙(shuang)信道線(xian)性(xing)穩壓器(qi)(qi)、特(te)殊應(ying)用(yong)白光二極管的(de)(de)電(dian)源(yuan)(yuan)供(gong)應(ying)以(yi)及行動電(dian)話(hua)、PDA和(he)數字相(xiang)機(ji)的(de)(de)多電(dian)源(yuan)(yuan)管理解決(jue)方案,這些產品(pin)都已(yi)開始供(gong)應(ying)。專門支持(chi)終端(duan)設備的(de)(de)電(dian)源(yuan)(yuan)組(zu)件(jian)則會內建各種外圍,其范(fan)圍從行動電(dian)話(hua)的(de)(de)響(xiang)鈴器(qi)(qi)和(he)蜂鳴器(qi)(qi)到PDA的(de)(de)通用(yong)I/O接腳,例如(ru)圖四整(zheng)合解決(jue)方案所使用(yong)的(de)(de)TPS65010就(jiu)是這類組(zu)件(jian)。

 

    圖五整(zheng)合式解(jie)決方案(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,直到電(dian)(dian)池電(dian)(dian)壓降至最低水平（大約2.7V）。和離散解決方(fang)案一樣,穩壓器(qi)輸出也來自3.3V輸入(ru)電(dian)(dian)源,以(yi)便提(ti)高工作效(xiao)(xiao)率(lv)。TPS65010采用(yong)48只接(jie)腳(jiao)QFN封裝,這些組件(jian)(jian)都(dou)內建(jian)FET晶(jing)體(ti)管(guan)。TPS61130SEPIC轉(zhuan)換器(qi)采用(yong)4×4平方(fang)厘米QFN封裝,并且(qie)內建(jian)FET晶(jing)體(ti)管(guan),最高達(da)到90％以(yi)上效(xiao)(xiao)率(lv),TPS5100則(ze)是三通道輸出控制器(qi),專門用(yong)來提(ti)供(gong)電(dian)(dian)源給顯(xian)示器(qi)。功(gong)率(lv)放大器(qi)和中(zhong)央處理器(qi)電(dian)(dian)源使用(yong)的動態電(dian)(dian)壓調整技術(shu)可以(yi)改善每顆零件(jian)(jian)的效(xiao)(xiao)率(lv),進而協助降低功(gong)耗。

    離散或整(zheng)合？

    如(ru)何在離(li)(li)(li)散(san)或(huo)整合解決方案之(zhi)間(jian)(jian)(jian)做(zuo)出抉擇？一般說來(lai),整合組(zu)件(jian)(jian)的(de)成(cheng)本會低(di)于同(tong)樣等級的(de)多顆離(li)(li)(li)散(san)零(ling)件(jian)(jian);除(chu)此(ci)之(zhi)外,如(ru)同(tong)(圖六(liu))的(de)電路(lu)板布局所示(shi),相較(jiao)于執(zhi)行(xing)同(tong)樣功能(neng)的(de)多顆離(li)(li)(li)散(san)零(ling)件(jian)(jian),TPS65010以及與其搭(da)配的(de)被動零(ling)件(jian)(jian)只(zhi)需較(jiao)少的(de)電路(lu)板空間(jian)(jian)(jian),這主要是因為離(li)(li)(li)散(san)零(ling)件(jian)(jian)之(zhi)間(jian)(jian)(jian)需要額外空間(jian)(jian)(jian)來(lai)容納訊號線路(lu)。由(you)于TPS65010還包含(han)原來(lai)由(you)離(li)(li)(li)散(san)零(ling)件(jian)(jian)提(ti)供的(de)其它(ta)功能(neng),例如(ru)電源供應順(shun)序、振動器和二極管(guan)驅動組(zu)件(jian)(jian),因此(ci)整合解決方案可以節省更多電路(lu)板面積。

  

 

 

    圖六TPS65010與(yu)同等(deng)級(ji)離(li)散解決(jue)方(fang)案的電路板布比較

    整(zheng)合組件(jian)過去主要支持特殊應用(yong)(yong),彈性也不是(shi)很高,因此(ci)在設(she)計流程(cheng)后(hou)期,它們就無法(fa)再進(jin)行重大的設(she)計變更。然而新(xin)的制程(cheng)技術,包括支持可程(cheng)序輸出電(dian)壓以及封(feng)裝后(hou)調整(zheng)的整(zheng)合式EEPROM,卻(que)使得工程(cheng)師(shi)能(neng)以更低成本(ben),更簡單快速的對現有組件(jian)（也就是(shi)不同固(gu)定(ding)輸出電(dian)壓的組件(jian)）重復進(jin)行簡單修改。另一方(fang)面,整(zheng)合組件(jian)的供貨商通常只有一家(jia),這可能(neng)迫使廠(chang)商必須采(cai)用(yong)(yong)離散解決(jue)方(fang)案(an)。

    未(wei)來(lai)挑戰

    消費者(zhe)想要操作時間(jian)更長的智能型手機,新發展的半導體(ti)制程技術已能減少泄漏電(dian)流(liu)和(he)阻抗(kang)（有時透過銅(tong)覆蓋層）,使得FET晶體(ti)管的靜(jing)態電(dian)流(liu)更低,導通阻抗(kang)也變得更小。然而(er)不(bu)同于持(chi)續進步中的半導體(ti)技術,電(dian)池(chi)技術卻(que)沒有任(ren)何(he)重大(da)進展,無法在不(bu)增加(jia)電(dian)池(chi)體(ti)積的情形下延長供電(dian)時間(jian)。

    電(dian)(dian)容(rong)器技術的某些進(jin)展使(shi)得充(chong)電(dian)(dian)電(dian)(dian)池和電(dian)(dian)容(rong)器之間(jian)(jian)(jian)的界(jie)限日益模糊,許多可攜式產品已開始使(shi)用(yong)(yong)高(gao)(gao)(gao)(gao)能(neng)量(liang)超(chao)級電(dian)(dian)容(rong)器（supercapacitor）,做為消費者更換電(dian)(dian)池時的暫(zan)時電(dian)(dian)力來(lai)源;另(ling)外,高(gao)(gao)(gao)(gao)能(neng)量(liang)暨高(gao)(gao)(gao)(gao)功率的超(chao)高(gao)(gao)(gao)(gao)電(dian)(dian)容(rong)器（ultracapacitor）還能(neng)在(zai)短時間(jian)(jian)(jian)內提(ti)供很大(da)電(dian)(dian)流,讓電(dian)(dian)池不必瞬間(jian)(jian)(jian)供應龐(pang)大(da)電(dian)(dian)力,可以延長電(dian)(dian)池的使(shi)用(yong)(yong)時間(jian)(jian)(jian)。這些超(chao)高(gao)(gao)(gao)(gao)電(dian)(dian)容(rong)器會整(zheng)合至電(dian)(dian)池封裝內,并在(zai)系統電(dian)(dian)力需求不太高(gao)(gao)(gao)(gao)時,利(li)用(yong)(yong)微小電(dian)(dian)流充(chong)電(dian)(dian)。

    燃(ran)(ran)料電池近來是熱(re)門話題(ti),但(dan)由于外(wai)形包裝尚(shang)未標準化(hua),使得燃(ran)(ran)料電池的廣泛(fan)應用(yong)受到(dao)影響(xiang),商業化(hua)過程也不太(tai)順利。燃(ran)(ran)料電池的輸(shu)出瞬時(shi)響(xiang)應也很糟糕,因此至(zhi)少在最初(chu)階(jie)段燃(ran)(ran)料電池只會做為普通(tong)電池的補強裝置,無法取代普通(tong)電池。

    消(xiao)費者還希望產(chan)品的(de)(de)體積(ji)更(geng)(geng)小(xiao),功能更(geng)(geng)加(jia)強大,創新的(de)(de)電(dian)源管(guan)理(li)組件(jian)設計以(yi)及封裝和(he)制(zhi)程技(ji)(ji)術的(de)(de)進步都能幫助實現此目標(biao)。日益精密(mi)的(de)(de)制(zhi)程技(ji)(ji)術可(ke)以(yi)制(zhi)造(zao)出越(yue)來(lai)越(yue)小(xiao)的(de)(de)FET晶體管(guan),讓(rang)晶粒和(he)封裝的(de)(de)體積(ji)更(geng)(geng)小(xiao),工作電(dian)壓更(geng)(geng)低,閘極電(dian)容更(geng)(geng)少,使得晶體管(guan)的(de)(de)開關速(su)度(du)更(geng)(geng)快

    ―對于以電感為基礎(chu)的(de)(de)交(jiao)換式電源供應,更(geng)快的(de)(de)開(kai)關(guan)速度意味著更(geng)小的(de)(de)電感。新封(feng)裝技術則能在(zai)(zai)更(geng)小的(de)(de)封(feng)裝中(zhong)容(rong)納更(geng)多(duo)功能,并且(qie)承(cheng)受更(geng)大的(de)(de)功耗(hao),例如內(nei)建FET開(kai)關(guan)的(de)(de)鋰離子電池(chi)線性充電組(zu)件bq24010就(jiu)采用3×3平方厘米的(de)(de)QFN封(feng)裝,它在(zai)(zai)普通室溫(wen)環境下,最高(gao)能承(cheng)受1.5W功耗(hao)。

    要在較低的(de)(de)(de)工作電(dian)(dian)壓下提供更強大(da)功(gong)能,電(dian)(dian)源(yuan)管理單元和(he)低噪(zao)聲(sheng)布局的(de)(de)(de)容忍(ren)要求(qiu)通常也會(hui)變(bian)的(de)(de)(de)更嚴格,例如(ru)系統若(ruo)要求(qiu)1.2V電(dian)(dian)源(yuan)的(de)(de)(de)誤(wu)差(cha)小于±3%,就(jiu)表(biao)示(shi)輸出(chu)電(dian)(dian)壓變(bian)動(dong)幅度不能超過±36mV;相形之(zhi)下,使用3.3V電(dian)(dian)源(yuan)就(jiu)表(biao)示(shi)在同樣的(de)(de)(de)±3%誤(wu)差(cha)限制下,它能容忍(ren)的(de)(de)(de)電(dian)(dian)壓變(bian)動(dong)高達±99mV。由于電(dian)(dian)源(yuan)電(dian)(dian)壓不斷(duan)降(jiang)低,未來幾年(nian)內對于誤(wu)差(cha)更小、電(dian)(dian)流更大(da)、效率更高和(he)電(dian)(dian)磁(ci)干擾極低的(de)(de)(de)直流電(dian)(dian)源(yuan)轉換器(qi)的(de)(de)(de)需求(qiu)將會(hui)增加。除此之(zhi)外,隨著封裝縮小,可(ke)供散熱的(de)(de)(de)面積也會(hui)減(jian)少,讓(rang)這(zhe)些(xie)高功(gong)耗組(zu)件(jian)的(de)(de)(de)熱管理繼續成為困(kun)難(nan)挑戰。

    整合(he)的力量

    本文介紹的(de)(de)(de)電源解決(jue)方案使用(yong)不(bu)同(tong)整合(he)(he)程度(du)的(de)(de)(de)電源組(zu)(zu)件(jian)(jian)。把(ba)部份或(huo)全部的(de)(de)(de)模(mo)擬電源組(zu)(zu)件(jian)(jian)和基(ji)頻(pin)處(chu)理器(qi)等數(shu)字(zi)零(ling)件(jian)(jian)整合(he)(he)在一起會帶(dai)來許(xu)多優點,包括節(jie)省(sheng)更多的(de)(de)(de)電路板面積(ji),并且(qie)降低總成本。復(fu)雜電子(zi)系統的(de)(de)(de)每(mei)個部份都(dou)有著(zhu)不(bu)同(tong)的(de)(de)(de)需求(qiu),這是過去實現更高(gao)(gao)階數(shu)字(zi)和模(mo)擬零(ling)件(jian)(jian)整合(he)(he)的(de)(de)(de)障礙之一,例如(ru)數(shu)字(zi)基(ji)頻(pin)單元需要(yao)高(gao)(gao)密度(du)制程以支持數(shu)字(zi)訊號處(chu)理,模(mo)擬基(ji)頻(pin)和電源功能需要(yao)電壓更高(gao)(gao)的(de)(de)(de)組(zu)(zu)件(jian)(jian);射(she)頻(pin)單元,特別是鎖相回路,則需要(yao)最適合(he)(he)支持高(gao)(gao)頻(pin)操作的(de)(de)(de)BiCMOS組(zu)(zu)件(jian)(jian)。

    傳統上,制(zhi)程發展(zhan)是由數字設計(ji)人(ren)員負(fu)責管(guan)(guan)理(li),他(ta)們(men)(men)通常只會推動高(gao)密度(du)制(zhi)程發展(zhan),電(dian)路若需要高(gao)電(dian)壓(ya)組件,就必須采用不同制(zhi)程,這(zhe)表示他(ta)們(men)(men)需要獨立(li)的(de)數字組件。半導體(ti)廠(chang)商(shang)不但開始(shi)發展(zhan)「最小閘極長度(du)」更(geng)(geng)短的(de)BiCMOS制(zhi)程,以便提供(gong)很高(gao)的(de)組件密度(du)和(he)工作速度(du),還(huan)有更(geng)(geng)高(gao)電(dian)壓(ya)的(de)汲極延伸型組件（drainextendeddevices）,它們(men)(men)已(yi)用于更(geng)(geng)多的(de)模(mo)擬和(he)電(dian)源(yuan)應用。包括電(dian)源(yuan)管(guan)(guan)理(li)在內的(de)許多模(mo)擬和(he)數字功(gong)能最后都會整合成單顆(ke)芯(xin)片。

    不(bu)同(tong)程度(du)的(de)組件(jian)整合正在簡化可攜式(shi)電(dian)源設計,尤其是(shi)可攜式(shi)產品(pin)的(de)系統設計人員,他們不(bu)必再擔心組件(jian)的(de)電(dian)源需求(qiu)管(guan)理,整合程度(du)不(bu)同(tong)的(de)電(dian)源管(guan)理組件(jian)可以(yi)幫助他們讓電(dian)池提供最長供電(dian)時間,同(tong)時將電(dian)路板面積和成本減至最少(shao)。