當今(jin)科技所需求的手(shou)機電池(chi)除了要能夠長(chang)時(shi)間供應穩定電源(yuan)外,體積小(xiao)重量輕也是關(guan)鍵。縮小(xiao)電路板面積、增長(chang)供電時(shi)間與(yu)減少(shao)成本該如(ru)何(he)畢其功于一役？將眾多電源(yuan)管理組件(jian)整合在單一芯片上(shang)將是解決問題的最(zui)好(hao)途徑。

    早期的(de)(de)行(xing)(xing)動(dong)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)話(hua)(hua)不是體積笨重龐大(da),就是必須受到汽車電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)池的(de)(de)束縛,但經(jing)過長(chang)時間(jian)的(de)(de)發展,今天的(de)(de)行(xing)(xing)動(dong)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)話(hua)(hua)已(yi)變得(de)非(fei)常輕巧(qiao),除了(le)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)話(hua)(hua)功能(neng),它(ta)們還會(hui)做許多(duo)事(shi)。新型(xing)3.xG智(zhi)能(neng)型(xing)手(shou)機把(ba)傳(chuan)統的(de)(de)2G行(xing)(xing)動(dong)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)話(hua)(hua)和多(duo)種其它(ta)功能(neng)結合(he)在一起,包(bao)括(kuo)PDA、數字相機、音樂播放(fang)機（MP3）以及全(quan)球定(ding)位(wei)系統（GPS）。如此(ci)多(duo)元的(de)(de)功能(neng)需要許多(duo)零(ling)件,其中絕大(da)多(duo)數的(de)(de)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)源電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)壓并(bing)不相同,電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)流需求則不斷(duan)增加(jia),使(shi)得(de)它(ta)們需要更多(duo)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)力。(圖一)是從2G語音電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)話(hua)(hua)升級到3G視訊(xun)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)話(hua)(hua)后,功率需求增加(jia)的(de)(de)估計值。

 

 

    圖一功耗值

    在(zai)此(ci)同時(shi),消費者卻想要更精巧的手機。本文介紹兩種電源管理(li)系統,它們(men)可以(yi)協助智能型手機設計人員(yuan)在(zai)彼此(ci)沖突(tu)的目標間取得平衡,例如將封裝減至最(zui)小,同時(shi)支持(chi)更大(da)的功率需求;實現最(zui)佳效率,讓電池提供(gong)最(zui)長的使用(yong)時(shi)間;以(yi)及將電源噪(zao)聲和漣(lian)波(bo)降至可接(jie)受水(shui)平,以(yi)支持(chi)新世代的行動電話。

    選(xuan)擇電池(chi)

    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(you)的兩種實際選擇。鋰離子電(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)(chi)的單位體積蓄電(dian)(dian)(dian)量(liang)為(wei)270～300Wh/l,單位重(zhong)量(liang)蓄電(dian)(dian)(dian)量(liang)為(wei)110～130Wh/kg,都(dou)高于(yu)鎳(nie)氫(qing)電(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)(chi)的220～300Wh/l以及75～100Wh/kg,因此在同(tong)樣蓄電(dian)(dian)(dian)量(liang)下,鋰離子電(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)(chi)的體積和重(zhong)量(liang)都(dou)小(xiao)于(yu)鎳(nie)氫(qing)電(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)(chi);另外,鋰離子電(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)(chi)的3.6V工作電(dian)(dian)(dian)壓也高于(yu)鎳(nie)氫(qing)電(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)(chi)的1.2V。

    行動電(dian)(dian)話的(de)多數功耗都來自于1.2V和3.3V電(dian)(dian)源(yuan),要讓交換式(shi)電(dian)(dian)源(yuan)轉換器發揮最(zui)大(da)工作(zuo)效率,較有效的(de)方法通常是從高電(dian)(dian)壓(ya)轉換至低電(dian)(dian)壓(ya),而不是從低電(dian)(dian)壓(ya)轉換至高電(dian)(dian)壓(ya),因此鋰離子(zi)電(dian)(dian)池是最(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1500mA范圍內的(de)電(dian)流,以便提供快速的(de)充(chong)電(dian)周期時間。

    電(dian)池(chi)(chi)監(jian)視和(he)保護(hu)組(zu)件(jian)(jian)通常都與電(dian)池(chi)(chi)封裝(zhuang)在一起,電(dian)池(chi)(chi)監(jian)視組(zu)件(jian)(jian)可(ke)(ke)以是簡(jian)單的(de)「電(dian)荷計(ji)(ji)量器」（coulombcounter）,由(you)中(zhong)央處(chu)理器負責(ze)計(ji)(ji)算電(dian)池(chi)(chi)剩(sheng)余電(dian)力(li);也可(ke)(ke)以是內建微控制器的(de)電(dian)池(chi)(chi)電(dian)力(li)量測(ce)組(zu)件(jian)(jian)（gasgauge）,由(you)它(ta)透過DSP與處(chu)理器之間(jian)的(de)簡(jian)單界面,直接提供(gong)剩(sheng)余電(dian)力(li)、剩(sheng)余供(gong)電(dian)時間(jian)、電(dian)池(chi)(chi)電(dian)壓、溫度和(he)平(ping)均電(dian)流(liu)量測(ce)值等資料。

    電源拓樸

    接著,設(she)計(ji)工程師必(bi)須(xu)決定電(dian)(dian)源(yuan)轉換(huan)(huan)組件的種類,它或(huo)許是以(yi)電(dian)(dian)感(gan)為基(ji)(ji)礎(chu)、并且內建FET開關的交(jiao)換(huan)(huan)式電(dian)(dian)源(yuan)轉換(huan)(huan)器(qi)、無電(dian)(dian)感(gan)的交(jiao)換(huan)(huan)式電(dian)(dian)源(yuan)轉換(huan)(huan)器(qi)（電(dian)(dian)荷(he)(he)泵(beng)浦(pu)）或(huo)是線性(xing)穩(wen)壓器(qi)。這些(xie)轉換(huan)(huan)器(qi)各有其優點。就效率(lv)而言,以(yi)電(dian)(dian)感(gan)為基(ji)(ji)礎(chu)的轉換(huan)(huan)器(qi)擁有最高的整體效率(lv),其次是電(dian)(dian)荷(he)(he)泵(beng)浦(pu),最后才是線性(xing)穩(wen)壓器(qi)。成(cheng)本通常(chang)反比于(yu)效率(lv),因此線性(xing)穩(wen)壓器(qi)成(cheng)本最低,然(ran)后是電(dian)(dian)荷(he)(he)泵(beng)浦(pu),最后則是以(yi)電(dian)(dian)感(gan)為基(ji)(ji)礎(chu)的轉換(huan)(huan)器(qi)。

  線(xian)(xian)性穩壓器沒有輸(shu)(shu)(shu)出漣波,電荷泵浦有一(yi)(yi)些輸(shu)(shu)(shu)出漣波,交換式穩壓器的(de)輸(shu)(shu)(shu)出漣波則在(zai)三者(zhe)之間最高。就整個(ge)解決方(fang)案的(de)體(ti)積來看,線(xian)(xian)性穩壓器的(de)體(ti)積最小,通常只需(xu)(xu)輸(shu)(shu)(shu)入(ru)和輸(shu)(shu)(shu)出電容(rong)(rong),電荷泵浦除了輸(shu)(shu)(shu)入(ru)和輸(shu)(shu)(shu)出電容(rong)(rong)外,還需(xu)(xu)一(yi)(yi)顆或兩顆「飛馳」（flying）電容(rong)(rong),交換式穩壓器則需(xu)(xu)要電感器,因此其(qi)封(feng)裝體(ti)積會有很大差異。

    無論DSP或模擬數字轉換(huan)器等(deng)數字零(ling)件(jian),或是電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)源(yuan)管理系(xi)(xi)統等(deng)模擬零(ling)件(jian),2G電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)話幾乎(hu)不(bu)(bu)提(ti)供任何的(de)功能(neng)整(zheng)合,系(xi)(xi)統設(she)計人員(yuan)在(zai)發(fa)展(zhan)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)源(yuan)管理系(xi)(xi)統時(shi),通常會以成本和體積為優先(xian)考慮,而不(bu)(bu)是轉換(huan)效率。線性穩壓(ya)(ya)(ya)器只能(neng)將輸入電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)壓(ya)(ya)(ya)轉換(huan)成更低的(de)輸出電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)壓(ya)(ya)(ya),因(yin)此(ci)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)池電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)壓(ya)(ya)(ya)必須高于3.3V,此(ci)時(shi)可利用低電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)流(liu)或中電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)流(liu)的(de)線性穩壓(ya)(ya)(ya)器進(jin)行電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)壓(ya)(ya)(ya)轉換(huan),以便提(ti)供電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)力給至2.8V范圍內(nei)的(de)其它電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)源(yuan)需求。

    在(zai)3G芯片組中,基(ji)頻(pin)(pin)處理器(qi)(qi)(qi)現已(yi)包含DSP、微(wei)處理器(qi)(qi)(qi)／微(wei)控(kong)制器(qi)(qi)(qi)、模(mo)(mo)擬(ni)數(shu)字轉換(huan)(huan)器(qi)(qi)(qi)和數(shu)字模(mo)(mo)擬(ni)轉換(huan)(huan)器(qi)(qi)(qi),用(yong)來控(kong)制射頻(pin)(pin)訊(xun)號(hao)(hao)和音(yin)頻(pin)(pin)訊(xun)號(hao)(hao)處理。這顆處理器(qi)(qi)(qi)的核心電壓已(yi)降(jiang)至(zhi)1.2V或是(shi)更低(di),I/O和外(wai)圍(wei)電壓也開始減少至(zhi)2.5V至(zhi)3.0V范圍(wei);由(you)于3.xG電話的電流需(xu)求通常都超過2.G電話,3.xG設計人員需(xu)要效率高(gao)于線性穩壓器(qi)(qi)(qi)的直流電源轉換(huan)(huan)器(qi)(qi)(qi),以便提(ti)供更長的電池(chi)使(shi)用(yong)時間。為進一步延長電池(chi)壽命(ming),許(xu)多設計人員必須盡(jin)量(liang)利用(yong)鋰離(li)子電池(chi)電力(li),直到其電壓降(jiang)至(zhi)最小(xiao)值為止(zhi);在(zai)此(ci)過程中,如何產生(sheng)3.3V電壓就變成(cheng)一項挑戰。

    從表面上來看,設計人(ren)員若能繼續使用(yong)(yong)電(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)直(zhi)到(dao)2.7V,并(bing)(bing)利(li)用(yong)(yong)正電(dian)(dian)(dian)源降(jiang)壓(ya)(ya)―升壓(ya)(ya)轉換器或是(shi)SEPIC轉換器提供3.3V電(dian)(dian)(dian)源,可(ke)攜(xie)式(shi)(shi)裝置的(de)電(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)壽(shou)命就會大幅延長(chang),但是(shi)根據(表一(yi))針(zhen)對600mAh電(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)所做(zuo)的(de)簡(jian)單分析可(ke)發(fa)現(xian)情形并(bing)(bing)非如此,因為無論(lun)是(shi)采用(yong)(yong)效率(lv)更高的(de)降(jiang)壓(ya)(ya)轉換器,并(bing)(bing)將電(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)使用(yong)(yong)到(dao)3.3V,或是(shi)采用(yong)(yong)SEPIC之類(lei)的(de)轉換器,并(bing)(bing)將電(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)電(dian)(dian)(dian)力完(wan)全(quan)用(yong)(yong)盡,這兩種方式(shi)(shi)的(de)供電(dian)(dian)(dian)時(shi)間幾乎(hu)沒有(you)任何區(qu)別。

    

 

    表(biao)一(yi)60mAh電(dian)池(chi)分析

    除(chu)此(ci)之外,無論是使用兩顆電(dian)(dian)感的(de)SEPIC轉(zhuan)換(huan)(huan)器,或是某些效率更(geng)高(gao)的(de)新型正(zheng)電(dian)(dian)源(yuan)(yuan)降(jiang)壓―升壓轉(zhuan)換(huan)(huan)器,它們的(de)成本都更(geng)高(gao),因此(ci)在做整體評估時,只(zhi)使用3.3V以上的(de)電(dian)(dian)池電(dian)(dian)力,然后(hou)利用高(gao)效率交(jiao)換(huan)(huan)式電(dian)(dian)源(yuan)(yuan)轉(zhuan)換(huan)(huan)器提(ti)供3.3V電(dian)(dian)源(yuan)(yuan)的(de)方法不(bu)但更(geng)有效率,還可(ke)能是更(geng)具吸引(yin)力的(de)選擇。以下(xia)介紹的(de)離散解決(jue)方案(an)就是使用降(jiang)壓轉(zhuan)換(huan)(huan)器提(ti)供3.3V電(dian)(dian)源(yuan)(yuan),整合式解決(jue)方案(an)則采用SEPIC轉(zhuan)換(huan)(huan)器。

   系統概述(shu)

    不同(tong)的(de)(de)(de)(de)智能(neng)型(xing)手(shou)機零件有著不同(tong)的(de)(de)(de)(de)電源需(xu)求,(圖二)是行動(dong)電話中需(xu)要電源的(de)(de)(de)(de)主要零件簡單方塊圖,例(li)如射頻單元的(de)(de)(de)(de)壓控振(zhen)蕩器（VCO）以及鎖(suo)相回路(lu)（PLL）就(jiu)需(xu)要極低(di)噪聲(sheng)和很高電源拒斥比的(de)(de)(de)(de)電源,確保它(ta)們提供最高的(de)(de)(de)(de)傳(chuan)送(song)和接收效能(neng),因此雖然線性穩壓器的(de)(de)(de)(de)效率不高,但(dan)由于它(ta)沒有輸(shu)出漣波,所以是這類電源供應的(de)(de)(de)(de)最佳選擇;同(tong)樣(yang)重要的(de)(de)(de)(de)是將直流(liu)轉換(huan)器的(de)(de)(de)(de)開(kai)關頻率,還有它(ta)們的(de)(de)(de)(de)二階和三(san)階諧(xie)波,都保持(chi)在中頻頻帶之外(wai)。

    由(you)于DSP和中央處理器的(de)核心電壓已降(jiang)至1V左(zuo)右,以(yi)電感為(wei)基(ji)礎的(de)高效(xiao)率交換式降(jiang)壓轉換器是理想(xiang)選擇(ze)。至于屏幕背光(guang)照(zhao)明所使用的(de)白光(guang)二極管(guan),其電源可(ke)來自電荷泵浦或(huo)電感式升壓／降(jiang)壓轉換器。

    圖二智能型手機電源方(fang)塊圖

    動態電壓調(diao)整（DynamicVoltageScaling）

    從(cong)圖一可(ke)看出(chu),電源需求最高的(de)(de)(de)兩顆零件是(shi)(shi)在(zai)射頻單元(yuan),分(fen)別是(shi)(shi)發射機的(de)(de)(de)功(gong)率(lv)放(fang)大器(qi)和基頻處理器(qi)。隨(sui)著電話與基地臺之間(jian)的(de)(de)(de)距離不(bu)同,功(gong)率(lv)放(fang)大器(qi)在(zai)通(tong)話過程中最多消耗75％的(de)(de)(de)總(zong)功(gong)耗,待(dai)命模式則只有(you)30％。采用(yong)非線性功(gong)率(lv)放(fang)大器(qi)的(de)(de)(de)舊型(xing)GSM電話發射機的(de)(de)(de)典型(xing)工作效率(lv)約為50％,但是(shi)(shi)WCDMA等較(jiao)新標準(zhun)卻同時(shi)需要(yao)振幅及相位(wei)調變,這(zhe)只有(you)工作效率(lv)在(zai)25％至35％之間(jian)的(de)(de)(de)線性放(fang)大器(qi)可(ke)以提(ti)供。

    除此之(zhi)外,CDMA20001x手機的正(zheng)常基頻處理(li)器負載需求是(shi)在60至120mA范圍,因此提供最有效率(lv)的電源給功率(lv)放大(da)器和處理(li)器就顯(xian)得極為重要(yao)。

    動態(tai)／可(ke)適(shi)性電(dian)壓(ya)(ya)(ya)調(diao)整(zheng)(zheng)技(ji)術（DVS/AVS）與高整(zheng)(zheng)合度組件所使用(yong)的(de)(de)(de)(de)方式很類似(si),它會(hui)(hui)把閉回路系統中的(de)(de)(de)(de)處理器和穩壓(ya)(ya)(ya)器連(lian)結在(zai)(zai)一起(qi),并在(zai)(zai)確(que)保(bao)系統正常工(gong)作的(de)(de)(de)(de)情形下,將數(shu)(shu)字電(dian)源(yuan)供應的(de)(de)(de)(de)輸出(chu)電(dian)壓(ya)(ya)(ya)動態(tai)調(diao)整(zheng)(zheng)至(zhi)最(zui)(zui)(zui)小值。功(gong)率(lv)放(fang)大器會(hui)(hui)被(bei)最(zui)(zui)(zui)佳化,使它在(zai)(zai)最(zui)(zui)(zui)大傳送(song)功(gong)率(lv)下擁有最(zui)(zui)(zui)高效(xiao)(xiao)率(lv)。由(you)于絕大多(duo)數(shu)(shu)手機都在(zai)(zai)基(ji)地臺(tai)附近工(gong)作,手機的(de)(de)(de)(de)無線電(dian)功(gong)能會(hui)(hui)在(zai)(zai)維持通訊質量的(de)(de)(de)(de)前題下,將傳送(song)功(gong)率(lv)降至(zhi)最(zui)(zui)(zui)低水(shui)平(ping)。當功(gong)率(lv)放(fang)大器在(zai)(zai)較低的(de)(de)(de)(de)功(gong)率(lv)水(shui)平(ping)下工(gong)作時,它的(de)(de)(de)(de)效(xiao)(xiao)率(lv)會(hui)(hui)受到(dao)影響,從(cong)(圖三)可(ke)以(yi)看出(chu),利用(yong)動態(tai)電(dian)壓(ya)(ya)(ya)調(diao)整(zheng)(zheng)技(ji)術來調(diao)整(zheng)(zheng)功(gong)率(lv)放(fang)大器的(de)(de)(de)(de)電(dian)壓(ya)(ya)(ya),它的(de)(de)(de)(de)工(gong)作效(xiao)(xiao)率(lv)會(hui)(hui)增加10％至(zhi)20％。

 

    圖三功(gong)率(lv)放大器效率(lv)

    數(shu)字處理(li)器(qi)的(de)功耗正比于電(dian)壓(ya)平方(fang),因此(ci)中央處理(li)器(qi)也能采用動態(tai)電(dian)壓(ya)調整技術;當(dang)中央處理(li)器(qi)進入(ru)待(dai)命(ming)模式(shi)或其它(ta)功能精(jing)簡(jian)模式(shi),它(ta)就能在(zai)較低(di)的(de)頻率頻率下工(gong)作,此(ci)時可將處理(li)器(qi)電(dian)壓(ya)降低(di),以便減(jian)少(shao)功耗,提升工(gong)作效率,延(yan)長電(dian)池壽命(ming)。

    就以(yi)OMAP1510為例,假設它(ta)的電(dian)(dian)源是由(you)TPS62200供應(ying),并使用1安培小時的3.6V鋰離子電(dian)(dian)池(chi)輸入,其它(ta)特性包括(kuo)：

    ●睡(shui)眠模式（TPS62200采用PFM調(diao)變）未用動(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）：Vout=1.5V@100mA;效(xiao)率=96％

    假設此(ci)組件95％時(shi)(shi)間(jian)處于(yu)(yu)睡眠模式,5％時(shi)(shi)間(jian)處于(yu)(yu)正常(chang)工作(zuo)模式,則從(cong)輸出(chu)功率(lv)與時(shi)(shi)間(jian)的(de)關(guan)系圖可看出(chu),將動態電(dian)壓調整技(ji)術用于(yu)(yu)睡眠模式,電(dian)池壽命會最多延長(chang)9個小時(shi)(shi)。

離散解決方案

    (圖四)是利用離(li)散(san)組件實作(zuo)的(de)電(dian)源管理系統,電(dian)池電(dian)壓限制為3.3V。

    圖四利用離散組件實作的電(dian)源管理系統

    在這個(ge)解決方(fang)案(an)中,就(jiu)算鋰離子電(dian)池下降(jiang)至3.3V左右,在100％負載(zai)周(zhou)期(qi)模式下工作的高效(xiao)率(lv)TPS62200降(jiang)壓(ya)(ya)轉換器(qi)仍能提供(gong)3.3V的I/O電(dian)壓(ya)(ya)。上(shang)述所有零件(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)(ya)轉換器(qi)以及TPS61042白光二(er)極(ji)管驅動組(zu)件(jian)(jian)之外,它(ta)們是采(cai)用3×3平方(fang)厘米的QFN封裝。TPS61040和(he)TPS61042還內(nei)建(jian)上(shang)端FET晶體管,每(mei)顆組(zu)件(jian)(jian)只需(xu)要一個(ge)外接二(er)極(ji)管。bq24020、TPS622xx、TPS61020和(he)線性(xing)穩壓(ya)(ya)器(qi)組(zu)件(jian)(jian)全都內(nei)建(jian)FET晶體管,功率(lv)放(fang)大(da)器(qi)和(he)中央處理(li)器(qi)電(dian)源采(cai)用的動態電(dian)壓(ya)(ya)調(diao)整技術(shu)可(ke)以提高每(mei)顆零件(jian)(jian)的效(xiao)率(lv),進而協助降(jiang)低功耗。

    整合解決方(fang)案

    最新(xin)制程(cheng)技術使(shi)得工程(cheng)師更(geng)容(rong)易(yi)結合(he)(he)、迅速修改以及／或是利用(yong)(yong)現(xian)有的(de)離散組件設計(ji),以便(bian)提供(gong)不(bu)同整合(he)(he)程(cheng)度的(de)半導體芯片,例(li)如通用(yong)(yong)的(de)雙通道(dao)(dao)交(jiao)換(huan)式轉(zhuan)換(huan)器和(he)電源(yuan)拒斥比很(hen)高而噪聲很(hen)低的(de)雙信道(dao)(dao)線性穩壓器、特殊應(ying)(ying)用(yong)(yong)白光二極管的(de)電源(yuan)供(gong)應(ying)(ying)以及行(xing)動(dong)電話、PDA和(he)數(shu)字相機(ji)的(de)多電源(yuan)管理解(jie)(jie)決方案(an),這些產品(pin)都已開始供(gong)應(ying)(ying)。專(zhuan)門支持終端設備(bei)的(de)電源(yuan)組件則會(hui)內建各種外圍,其范圍從行(xing)動(dong)電話的(de)響鈴(ling)器和(he)蜂鳴(ming)器到PDA的(de)通用(yong)(yong)I/O接腳(jiao),例(li)如圖四(si)整合(he)(he)解(jie)(jie)決方案(an)所使(shi)用(yong)(yong)的(de)TPS65010就是這類組件。

 

    圖(tu)五整(zheng)合式解決方案(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)力,直到電(dian)池電(dian)壓(ya)降(jiang)至最低(di)水平（大(da)約2.7V）。和離(li)散(san)解決方案一樣,穩壓(ya)器輸(shu)出也來自3.3V輸(shu)入電(dian)源(yuan),以便提(ti)高(gao)工作效(xiao)率。TPS65010采用48只接腳QFN封(feng)裝,這些組件(jian)都內(nei)建(jian)FET晶(jing)體管(guan)。TPS61130SEPIC轉換器采用4×4平方厘米QFN封(feng)裝,并且(qie)內(nei)建(jian)FET晶(jing)體管(guan),最高(gao)達到90％以上效(xiao)率,TPS5100則是三(san)通道輸(shu)出控制器,專門用來提(ti)供(gong)電(dian)源(yuan)給顯示器。功(gong)率放大(da)器和中央處理器電(dian)源(yuan)使(shi)用的(de)動(dong)態電(dian)壓(ya)調整技(ji)術(shu)可以改善每(mei)顆零件(jian)的(de)效(xiao)率,進而(er)協助降(jiang)低(di)功(gong)耗。

    離散或(huo)整合？

    如何在(zai)離(li)(li)散(san)或整(zheng)合解(jie)決方案之間(jian)做(zuo)出抉擇？一般(ban)說來,整(zheng)合組件(jian)(jian)(jian)的(de)成本會低于同樣等級的(de)多(duo)顆(ke)離(li)(li)散(san)零件(jian)(jian)(jian);除此之外,如同(圖六)的(de)電(dian)路板(ban)布局所示,相較(jiao)于執行同樣功(gong)能(neng)的(de)多(duo)顆(ke)離(li)(li)散(san)零件(jian)(jian)(jian),TPS65010以(yi)及(ji)與(yu)其(qi)搭(da)配的(de)被動零件(jian)(jian)(jian)只(zhi)需(xu)較(jiao)少的(de)電(dian)路板(ban)空(kong)間(jian),這主要(yao)是因(yin)為離(li)(li)散(san)零件(jian)(jian)(jian)之間(jian)需(xu)要(yao)額(e)外空(kong)間(jian)來容納訊號(hao)線(xian)路。由(you)于TPS65010還包含原來由(you)離(li)(li)散(san)零件(jian)(jian)(jian)提供的(de)其(qi)它功(gong)能(neng),例如電(dian)源供應順序、振動器和二(er)極(ji)管(guan)驅動組件(jian)(jian)(jian),因(yin)此整(zheng)合解(jie)決方案可(ke)以(yi)節(jie)省更多(duo)電(dian)路板(ban)面(mian)積。

  

 

 

    圖六TPS65010與同等級離(li)散(san)解決方案(an)的(de)電路板布比(bi)較

    整合(he)組(zu)(zu)件(jian)過去主要(yao)支持(chi)特殊應(ying)用,彈性也(ye)(ye)不是很高,因此在設計(ji)流(liu)程(cheng)(cheng)后(hou)期,它們就(jiu)無法再進(jin)行重大的(de)設計(ji)變更。然(ran)而新(xin)的(de)制程(cheng)(cheng)技(ji)術,包括(kuo)支持(chi)可程(cheng)(cheng)序(xu)輸出電壓以(yi)及封裝后(hou)調整的(de)整合(he)式EEPROM,卻使得(de)工程(cheng)(cheng)師能以(yi)更低(di)成(cheng)本,更簡(jian)單(dan)快速(su)的(de)對現(xian)有組(zu)(zu)件(jian)（也(ye)(ye)就(jiu)是不同(tong)固定輸出電壓的(de)組(zu)(zu)件(jian)）重復進(jin)行簡(jian)單(dan)修改。另一方面(mian),整合(he)組(zu)(zu)件(jian)的(de)供貨商通(tong)常只有一家,這(zhe)可能迫使廠商必須采用離散解決方案。

    未來(lai)挑戰

    消費者想要操作時(shi)間(jian)更(geng)長的(de)智能(neng)型手機,新發展的(de)半(ban)導(dao)體制(zhi)程技(ji)術(shu)已能(neng)減少泄漏(lou)電流和阻抗（有時(shi)透過銅覆(fu)蓋層(ceng)）,使(shi)得FET晶體管的(de)靜態電流更(geng)低,導(dao)通阻抗也(ye)變(bian)得更(geng)小。然(ran)而(er)不(bu)同于持續進(jin)步(bu)中的(de)半(ban)導(dao)體技(ji)術(shu),電池技(ji)術(shu)卻沒有任何(he)重大進(jin)展,無法在不(bu)增加(jia)電池體積(ji)的(de)情(qing)形下延長供電時(shi)間(jian)。

    電(dian)(dian)(dian)(dian)容(rong)器技術的某(mou)些(xie)進展使(shi)得(de)充電(dian)(dian)(dian)(dian)電(dian)(dian)(dian)(dian)池和電(dian)(dian)(dian)(dian)容(rong)器之間的界限日(ri)益模糊,許多可(ke)攜(xie)式產(chan)品已(yi)開始使(shi)用高(gao)(gao)能(neng)量(liang)超級電(dian)(dian)(dian)(dian)容(rong)器（supercapacitor）,做(zuo)為消費者更換電(dian)(dian)(dian)(dian)池時(shi)(shi)的暫時(shi)(shi)電(dian)(dian)(dian)(dian)力(li)來(lai)源(yuan);另外,高(gao)(gao)能(neng)量(liang)暨(ji)高(gao)(gao)功率的超高(gao)(gao)電(dian)(dian)(dian)(dian)容(rong)器（ultracapacitor）還(huan)能(neng)在短時(shi)(shi)間內(nei)提(ti)供很(hen)大電(dian)(dian)(dian)(dian)流(liu),讓電(dian)(dian)(dian)(dian)池不(bu)必(bi)瞬間供應龐大電(dian)(dian)(dian)(dian)力(li),可(ke)以延長電(dian)(dian)(dian)(dian)池的使(shi)用時(shi)(shi)間。這些(xie)超高(gao)(gao)電(dian)(dian)(dian)(dian)容(rong)器會(hui)整(zheng)合(he)至電(dian)(dian)(dian)(dian)池封裝(zhuang)內(nei),并在系統電(dian)(dian)(dian)(dian)力(li)需求不(bu)太高(gao)(gao)時(shi)(shi),利用微小電(dian)(dian)(dian)(dian)流(liu)充電(dian)(dian)(dian)(dian)。

    燃(ran)(ran)(ran)料(liao)(liao)電(dian)池近來是熱(re)門話(hua)題,但由于外(wai)形包裝(zhuang)尚未標準化,使得燃(ran)(ran)(ran)料(liao)(liao)電(dian)池的廣泛應(ying)用(yong)受到影響,商(shang)業化過程也(ye)不太順利。燃(ran)(ran)(ran)料(liao)(liao)電(dian)池的輸出瞬時響應(ying)也(ye)很(hen)糟(zao)糕,因此至(zhi)少在(zai)最初(chu)階(jie)段燃(ran)(ran)(ran)料(liao)(liao)電(dian)池只會做為普通電(dian)池的補強(qiang)裝(zhuang)置,無法(fa)取代普通電(dian)池。

    消費者還希望產(chan)品的(de)體積更小(xiao),功(gong)能(neng)更加強大,創新的(de)電(dian)(dian)源管(guan)理組(zu)件(jian)設計以(yi)及封(feng)裝和制(zhi)程(cheng)技術的(de)進步都(dou)能(neng)幫助實現此(ci)目標。日益精密的(de)制(zhi)程(cheng)技術可以(yi)制(zhi)造出越來越小(xiao)的(de)FET晶體管(guan),讓晶粒和封(feng)裝的(de)體積更小(xiao),工(gong)作電(dian)(dian)壓更低,閘極(ji)電(dian)(dian)容更少,使得(de)晶體管(guan)的(de)開關速度更快

    ―對(dui)于以電(dian)感為基礎的(de)(de)(de)(de)交(jiao)換式電(dian)源供應,更(geng)快的(de)(de)(de)(de)開關速(su)度意味著(zhu)更(geng)小(xiao)的(de)(de)(de)(de)電(dian)感。新封(feng)裝(zhuang)技術則能(neng)在更(geng)小(xiao)的(de)(de)(de)(de)封(feng)裝(zhuang)中(zhong)容(rong)納更(geng)多功能(neng),并且承受更(geng)大的(de)(de)(de)(de)功耗,例如內(nei)建FET開關的(de)(de)(de)(de)鋰離子電(dian)池線性充(chong)電(dian)組(zu)件(jian)bq24010就采用3×3平(ping)方厘米(mi)的(de)(de)(de)(de)QFN封(feng)裝(zhuang),它在普通室(shi)溫環(huan)境下(xia),最高能(neng)承受1.5W功耗。

    要(yao)在較低的(de)(de)工作電(dian)(dian)壓(ya)下提供(gong)更(geng)強大功能,電(dian)(dian)源管理單元和(he)低噪(zao)聲布局的(de)(de)容(rong)(rong)忍(ren)要(yao)求(qiu)通常也會(hui)(hui)變的(de)(de)更(geng)嚴格,例如系統若要(yao)求(qiu)1.2V電(dian)(dian)源的(de)(de)誤(wu)差(cha)(cha)小于(yu)(yu)±3%,就(jiu)表示(shi)輸出電(dian)(dian)壓(ya)變動幅(fu)度不(bu)能超過±36mV;相形之下,使(shi)用3.3V電(dian)(dian)源就(jiu)表示(shi)在同樣的(de)(de)±3%誤(wu)差(cha)(cha)限制下,它能容(rong)(rong)忍(ren)的(de)(de)電(dian)(dian)壓(ya)變動高(gao)達(da)±99mV。由(you)于(yu)(yu)電(dian)(dian)源電(dian)(dian)壓(ya)不(bu)斷(duan)降低,未來幾年內對于(yu)(yu)誤(wu)差(cha)(cha)更(geng)小、電(dian)(dian)流更(geng)大、效率(lv)更(geng)高(gao)和(he)電(dian)(dian)磁干擾(rao)極低的(de)(de)直流電(dian)(dian)源轉換(huan)器(qi)的(de)(de)需(xu)求(qiu)將會(hui)(hui)增加(jia)。除此之外,隨著封裝縮小,可供(gong)散熱的(de)(de)面(mian)積也會(hui)(hui)減少,讓這(zhe)些(xie)高(gao)功耗(hao)組件的(de)(de)熱管理繼(ji)續成為困難(nan)挑(tiao)戰。

    整合的力(li)量(liang)

    本文介紹(shao)的(de)電源(yuan)解(jie)決(jue)方案使用不(bu)同整(zheng)(zheng)合(he)程度(du)的(de)電源(yuan)組(zu)件(jian)。把部份或(huo)全部的(de)模(mo)擬(ni)電源(yuan)組(zu)件(jian)和(he)(he)基(ji)頻(pin)處理器(qi)等(deng)數(shu)字(zi)零(ling)件(jian)整(zheng)(zheng)合(he)在一(yi)起(qi)會帶來許多優點,包括節省更多的(de)電路板面積,并且降低總(zong)成本。復雜電子系統的(de)每(mei)個部份都(dou)有著(zhu)不(bu)同的(de)需(xu)求,這是過去實現(xian)更高(gao)階(jie)數(shu)字(zi)和(he)(he)模(mo)擬(ni)零(ling)件(jian)整(zheng)(zheng)合(he)的(de)障礙之(zhi)一(yi),例如數(shu)字(zi)基(ji)頻(pin)單(dan)元(yuan)需(xu)要高(gao)密度(du)制程以支(zhi)持(chi)數(shu)字(zi)訊號處理,模(mo)擬(ni)基(ji)頻(pin)和(he)(he)電源(yuan)功能需(xu)要電壓(ya)更高(gao)的(de)組(zu)件(jian);射頻(pin)單(dan)元(yuan),特別是鎖相回路,則需(xu)要最適(shi)合(he)支(zhi)持(chi)高(gao)頻(pin)操作的(de)BiCMOS組(zu)件(jian)。

    傳統上,制(zhi)程發(fa)展(zhan)(zhan)(zhan)是由數字設計人員負責管理,他們(men)通常只(zhi)會推(tui)動高密度制(zhi)程發(fa)展(zhan)(zhan)(zhan),電(dian)路若(ruo)需要高電(dian)壓(ya)組(zu)件(jian),就必(bi)須采用不(bu)同制(zhi)程,這表示他們(men)需要獨立(li)的(de)數字組(zu)件(jian)。半(ban)導體廠(chang)商(shang)不(bu)但開始發(fa)展(zhan)(zhan)(zhan)「最小閘(zha)極長(chang)度」更(geng)短的(de)BiCMOS制(zhi)程,以(yi)便提供很高的(de)組(zu)件(jian)密度和(he)工作速度,還(huan)有更(geng)高電(dian)壓(ya)的(de)汲(ji)極延(yan)伸型(xing)組(zu)件(jian)（drainextendeddevices）,它(ta)們(men)已用于更(geng)多(duo)的(de)模(mo)擬和(he)電(dian)源(yuan)應(ying)用。包括電(dian)源(yuan)管理在內(nei)的(de)許多(duo)模(mo)擬和(he)數字功能最后都會整合成單顆芯片。

    不同(tong)(tong)程(cheng)度的組(zu)(zu)件整合(he)正(zheng)在(zai)簡化(hua)可(ke)(ke)攜(xie)式電(dian)(dian)源(yuan)設計(ji),尤其是可(ke)(ke)攜(xie)式產品的系統設計(ji)人員(yuan),他們(men)不必再擔心(xin)組(zu)(zu)件的電(dian)(dian)源(yuan)需求(qiu)管理,整合(he)程(cheng)度不同(tong)(tong)的電(dian)(dian)源(yuan)管理組(zu)(zu)件可(ke)(ke)以幫助他們(men)讓電(dian)(dian)池提(ti)供(gong)最長供(gong)電(dian)(dian)時間,同(tong)(tong)時將(jiang)電(dian)(dian)路板面積(ji)和成本減至最少。