內建升降壓穩壓器　切換式PMIC延長續航力

不過，類比IC中的電源路徑(Power Path)充電系統架構，仍為系統設計師和最終產品用戶帶來不少好處，如能自主和無縫式管理多個輸入電源，除為電池充電外，還能擇優為系統負載供電。另外，用這種IC架構還可減少熱能產生、加速充電並在電池容量耗盡時實現隨開即用(Instant-ON)操作。  

這種精密電源管理晶片(PMIC)的一個新發展趨勢，是整合直流對直流(DC-DC)轉換器，這種轉換器在寬廣負載電流範圍內具有高效率，並具有低待機(靜態)電流以延長電池續航力，而這也導致大規模電源管理IC的產生。  

這類IC採用扁平封裝，只需極少的外部元件就可為掌上型電子裝置構成簡單、精小和經濟的解決方案，可攜式導航裝置(PND)、媒體播放器、數位相機、個人數位助理(PDA)、智慧型手機等電子產品，都可採用這一類電源管理IC。最近，升降壓穩壓器更已用來在整個鋰離子電池電壓範圍內穩壓3.3伏特中跨輸出電壓，以進一步延長電池續航力。  

可攜式裝置應用多元　設計挑戰升溫  

顯然，在可攜式裝置中，電池壽命和電池操作時間是須要考慮的關鍵因素。越來越多的功能導致電池容量在使用時承受著巨大壓力，進而造成充電和再充電週期的頻繁交替，並使電池運行時間受到限制。  

很多因素都可能影響鋰離子/鋰聚合物電池的使用壽命，如儲存溫度、充電狀態、充電/放電頻率(有鑑於每個電池的充電/放電週期數都有限)以及是否完全充電或具有浮動電壓。  

好消息是，這些因素中有些可透過良好的電池充電IC來控制。另外，IC的高電源電流和低電源轉換效率可能縮短電池操作時間，導致更頻繁地充電，因此潛在影響了電池壽命。控制充電頻率以及充電電流與電壓的準確度，以利於使用者，是問題的一個面向，而產品使用率則是問題的另一個面向，因此必須在這兩方面之間找到折衷辦法，而這是一項須要反覆進行的操作。  

因為具有相對較高的能量密度，使得鋰離子/聚合物電池成為可攜式消費性電子產品的首選，在給定外形尺寸時，它們比其他可用化學材料提供更大的容量。 隨著可攜式產品複雜度提高，所消耗的功率也越來越高，對更高容量電池的需求也更大，相對產生了對更先進的電池充電器的需求。容量較大的電池要求較高的充電電流，或者需要更長時間方能充滿電。  

另外，在很多情況下，通過USB給電池充電，意味著對用戶更方便，但USB相容性對USB電流(最大500毫安培)和功率(最大2.5瓦)有限制。基於USB的電池充電器應該儘可能高效率地從USB埠汲取更多功率，同時還要滿足今日功率密集型應用嚴格的熱限制。

由磷酸鋰離子電池化學組成的新型電池，可達到更長的續航力，但是其電壓放電曲線延長了，在電池電壓低於3伏特時還有很多能量可用。這種特性影響了電源轉換系統，使得必須以同步升降壓穩壓器方能產生3伏特或更高輸出。  

除了為負載供電，自主性管理不同電源和電池之間的電源路徑亦相等重要，而這帶來了極大的技術挑戰。傳統以少量金屬氧化半導體場效電晶體(MOSFET)、運算放大器和其他元件以獨立方式實現這一功能，但面臨著熱插拔、大突波電流、大負載暫態電壓等難題，這些難題可能引起極大的系統可靠性問題。而具有升降壓調節能力的整合式、精小和基於電源路徑的電源管理IC，則可望解決下列問題：

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切換式電源路徑系統

部分業者的電源路徑管理器產品系列，在線性和突破性的切換模式架構方面為設計師提供了可符合其應用需求的新選擇。關鍵性的電路區塊最近也整合至PMIC中，為面臨複雜電源管理挑戰的設計者提供自主性、高效率及精小的解決方案，以為可攜式產品之使用者帶來具體利益。 第一代USB相容應用，係直接在USB埠和電池之間加入限流電池充電器，電池直接向系統負載供電，即電池饋送型。這些系統存在著效率限制和熱損的問題，因此從USB埠獲得的充電電流受限於500毫安培。 第二代線性電源路徑系統與電池饋送型系統雖在向負載/系統供電方面存在極大的優勢，但是功率則損失在線性電池充電器單元內，尤其如果電池電壓較低時更是如此。 切換電源路徑管理是最新的突破性電源路徑技術，適合今日手持電子產品功能不斷增多、並相對需要較大容量電池的情況。這種類型的電源路徑元件透過USB相容降壓切換穩壓器產生中間匯流排電壓，該穩壓器的輸出(VOUT)穩壓於電池電壓的固定電壓之上，電路圖如圖1。不同USB充電系統架構概況與比較如表1。 圖1　簡化切換式PowerPath電路 表1　USB電池充電系統架構比較表 特性 電池饋送 線性PowerPath 切換式PowerPath 小 小 中等 大 複雜性 小 中等 較複雜 方案成本 低 中等 較高 USB充電電流 限制為500mA 限制為500mA 不限於500mA(~2.3W) 自主控製輸入電源 無 有 有 Instant-ON 操作 無 有 有 系統負載效率(Ibus 低(VBAT/VBUS) 非常高(>90%) 良好(~90%) 系統負載效率(Ibus=USB Iimit) 低     (VBAT/VBUS)低(VBAT/VBUS) 良好(~90%)     電池充電效率低(VBAT/VBUS) 低(VBAT/VBUS) 良好(~90%)   熱損 高 中等 低 至HV降壓的Bat-Track自適性輸出控制/介面 無 有 有 切換模式技術保留了線性電源路徑系統的優點，如Instant-ON、自主性控制輸入、系統/負載和電池之間的電源路徑等，同時提高了向負載/系統和電池供電的效率。它也降低了線性電池充電器單元損失的功率，這在電池電壓較低和/或輸入功率有限(即USB)時尤其重要，因此能有效散熱。它也能夠透過保存功率，從標準USB埠(約2.3瓦)汲取700毫安培的電池充電電流。

新一代電源管理產品結合切換電源路徑控制/彈性升降壓穩壓  

目前已問世的電源管理解決方案，多針對鋰離子/鋰聚合物電池應用進行開發。如內建切換電源路徑管理器、獨立電池充電器、1安培高效率同步升降壓穩壓器、理想二極體和控制器以及常態開啟(Always-on)的LDO，均包含於精小的低高度4毫米×4毫米QFN封裝中，架構圖如圖2。其Instant-ON甚至在壞電池的情況下亦能向系統負載供電。

圖2　PowerPath簡化架構圖

相關產品的輸出電壓可設定為2.5伏特最小輸出電壓，並可用來為微控制器核心或I/O、記憶體、磁碟機或其他邏輯電路供電。為了適合各種應用，可選模式功能允許用戶在雜訊和效率之間取得平衡。目前有兩種模式可用來控制升降壓穩壓器的操作：在中等負載至重負載時，定頻脈衝寬度變調(PWM)模式的雜訊非常低；在較輕負載時，可以選擇突波模式(Burst Mode)操作，以降低靜態電流，延長電池續航力。  

該穩壓器還具有自我和系統保護功能，如限制突波電流和在加電時電壓過衝的軟啟動、短路電流保護，以及用來降低電磁干擾(EMI)輻射的開關節點旋轉限制電路。  

慎選電源管理晶片　拉抬可攜式裝置聲勢  

囿於印刷電路板(PCB)空間限制之電池產品的設計者，正面臨如下挑戰：需要更長電池壽命和電池操作時間、小尺寸、低功耗、USB相容性和可方便使用的輸入電源，以及須要在整個鋰離子/聚合物電池操作電壓範圍內調節輸出電壓，相關設計還被加以整合，以節省電路板空間、降低製造成本並提高產品可靠性。最新的IC兼具切換模式架構電源路徑管理器和升降壓穩壓器。這些新IC能夠從USB埠抽取更多功率，並自主和無縫式管理不同輸入電源和電池之間的電源路徑，同時擇優向負載供電以提高操作電壓餘裕，並在整個鋰離子/鋰聚合物電池電壓範圍內穩壓3.3伏特等輸出電壓。  

降低靜態電流及熱後，同時透過Bat-Track自適性輸出控制，也提高了充電效率，以延長電池壽命和電池操作時間。最後，這些IC透過使用較少和小尺寸的外部元件，可簡化設計、縮小總體解決方案尺寸，並實現了更精小的設計和更小的裝置尺寸，而獲得更高滿意度。  

(本文作者任職於凌力爾特)