拒絕電源虛擲　PMIC力守功耗關卡

而分析各類型可攜式裝置的發展態勢，除了不斷追求多功能與高效能之外，如何在電源管理上有所突破，並透過極為普及的通用序列匯流排(USB)進行充電，不但是相關業者不可小覷的議題，也進而刺激電源管理晶片(PMIC)市場的蓬勃發展。  

電源設計有訣竅　業者巧妙各不同  

圖1　手機向來是注重待機時間的可攜式裝置之一，而GPS手機的問世，更證實了新興應用對長時間電源管理議題的依賴。

以目前業界的演進方向來看，由於可攜式產品在追求體積輕巧的同時，仍要求高規格的電源管理晶片，除了高整合度之外，高可靠性、低雜訊、抗干擾等，都是希冀達成的目標。  

再從產品類型來看，近期當紅的多項可攜式裝置如手機、可攜式多媒體播放器、數位相機，多倚賴電池為供電來源，因此電源管理晶片之設計，直接關乎系統架構好壞。再加上如全球衛星定位系統(GPS)手機(圖1)的問世，裝置本身追求的運作時間更加延長，動輒需要半天以上的運作時間，自然也就對各式基頻、射頻元件的搭配、軟硬體設計及功率分配等要求更加嚴苛。  

同時側重效能與功耗　DSP牽一髮動全身  

而從處理器端來看，處理器業者也同樣針對功耗有所努力，如在大多的處理器設計中，都會因應不同工作狀態設計運作狀態，業界頗為熟稔的待機模式(Standby Mode)就是一例。  

在待機模式中，業界關注的重點大多都是如何在待機模式中將耗電降到最低，以及如何在最短時間喚醒處理器以進行下一步作業。  

目前在各式可攜式裝置中，由於多須提供語音、影像、通訊或其他運算功能需求，因此也就需要第二顆微處理器(MPU)來進行輔助，第一顆負責大量且複雜的運算，第二顆則負責控制功能。  

當然，對設計人員來說，最理想的一種狀況是系統只存在單一強大功能處理器，且此處理器擁有完整訊號處理及控制等功能，以應付各式作業所需。因此能否省去第二顆微處理器，以減少功耗、成本及電路板空間，就是業界戮力以赴的目標。  

根據Forward Concepts稍早發表的報告指出，數位訊號處理器(DSP)設計人員多半認為，選擇可攜式裝置之數位訊號處理器晶片時，最重要的考慮因素是應用開發工具的方便性與耗電量的多寡。  

圖2　德州儀器半導體行銷特定應用產品協理郭芳旭表示，數位訊號處理器能否在功耗與效能上獲得平衡，將是設計人員採用與否的關鍵。

也因此，各業者紛紛針對數位訊號處理器之耗電高低多所著墨。如德州儀器(TI)繼2006年11月推出待機模式耗電量只有0.12毫瓦的超低耗電可程式數位訊號處理器產品後，2008年7月時又宣布在數位訊號處理器及應用處理器節能技術的努力下，可協助開發人員研發更多不同的可攜式產品。  

德州儀器半導體行銷特定應用產品協理郭芳旭(圖2)指出，隨著開發人員致力尋求新一代的醫療、音訊、工業、消費性電子及各式新興應用設計，再加上市場對於兼具可攜性與提供人性化圖像使用者介面(GUI)等多功能解決方案的需求也日漸增加，該公司將在未來1年內推出超過十五款、跨越四條產品線的新型處理器，以提供工程師在設計基本及多功能可攜式產品時完整的解決方案。  

郭芳旭透露，過去處理器的功耗與效能一直無法達成平衡，所有設計皆必須犧牲其中一項才能成就另一項。不過日前德州儀器宣布其低功耗處理器產品產生突破性進展，未來其產品陣容將可滿足各式低功耗需求。  

郭芳旭以德州儀器的浮點數位訊號處理器新品為例，該產品在耗電量在休眠模式下約為6毫瓦、作業模式下總功率則為420毫瓦，為現有浮點數位訊號處理器的三分之一，並具有24～32位元的精確度，可同時滿足設計人員在效能與功耗上之需求。而德州儀器近期推出的其他多條產品線也都以大幅延長電池壽命為目標。  

行動技術推升　PMIC當紅  

資料來源：凌力爾特 圖3　凌力爾特電源產品事業群產品行銷經理Tony Armstrong認為，與其一味追求高電壓，不如針對電源轉換效率加以提升，以收事半功倍之效。

Armstrong指出，除了入門機種(Entry Level)、注重音樂播放或攝影的功能性手機(Feature Phone)之外，再加上智慧型手機(Smart Phone)與GPS手機的抬頭，手機市場的規模將在2008年出貨超過十三億支，龐大商機可見一斑。  

提升轉換效率　延長電池續航力  

Armstrong透露，在手機或相關產品中，通常需要包括多重微處理器電源端和無數特殊功能的電壓端等多個不同的電壓端，並通常由鋰電池供電，故由電池供電的需求也大幅增加。由於電源密度增加有限，因而在可攜式裝置中，電池尺寸仍相對較小，最終的結果是電池續航力及良好的散熱效能，將成為手機及大部分可攜式裝置的主要賣點，同時也是最大的差異所在。  

資料來源：美國國家半導體 圖4　美國國家半導體電源產品行銷經理黃正義透露，慎選低壓降穩壓器將可避免過多雜訊，進而提高電源效率。

也就是在這樣的情況下，業者才陸續設計出精巧、高效率多重輸出同步降壓轉換器之產品。Armstrong表示，透過改善轉換效率，將使同步降壓轉換器超越傳統線性穩壓器，並達到電池續航力的實質提升。同時，由於相關轉換器提供95%以上的電源效率，也去除散熱片的需求，在實際產品設計中，省去更多空間與成本。  

美國國家半導體(NS)電源產品行銷經理黃正義(圖4)則建議，要提高電源管理晶片的工作效率，可以透過幾項方式進行協助，如加設低輸入、低輸出的低壓降穩壓器(LDO)。黃正義認為設計人員可利用低壓降穩壓器內建700毫安培輸出電流、2.0伏特輸出電壓的降壓穩壓器作為低輸入、低輸出的低壓降穩壓器，為較易受雜訊干擾的負載提供穩定的低壓輸出，如1.8伏特電壓。  

另外，在驅動普通負載的正常作業情況下，內建的同步降壓穩壓器一般都採用效率超過90%的脈衝寬度調變(PWM)模式作業。但在驅動較小的負載時，電源管理晶片若仍採用PWM模式作業，效率便會大幅下跌。在這個情況下，黃正義認為，選擇適合的穩壓器則可自動切換為脈衝頻率調變(PFM)模式，令效率得以提高。  

從稍早亞德諾(ADI)推出的兩款新電源管理晶片產品，也可以看出該公司針對可攜式應用的策略。亞德諾的新元件結合兩個降壓轉換器及低V_IN LDO，可用來驅動傳統的電源管理功能及具雜訊敏感度的電路，而不影響電源效率。  

亞德諾產品線經理Dan Dempsey表示，如無線數據卡等許多可攜式系統，都需要典型3.3伏特電源來驅動處理器、記憶體、輸入輸出埠(I/O)，以及具雜訊敏感之電路的低電壓來源，也因此，要以單一電源管理晶片來支援上述功能十分困難。不過，Dempsey也指出，透過結合兩個降壓轉換器與低V_IN LDO，並使用LDO來後穩壓第二個降壓轉換器，將可有效延長電池壽命。再透過供電標準3.3伏特電路和低壓雜訊敏感電路，不僅可縮小板面接腳占位，更可維持高電源效率。 亞德諾新款電源管理晶片元件上的降壓轉換器除可提供高效率比外，透過LDO來後穩壓第二降壓穩壓器的輸出，也可達到低雜訊操作，並同時擁有80%之效率位準。  

電池計量元件　精準掌握使用時間  

資料來源：德州儀器 圖5　透過電池計量元件，不論是設計人員或是使用者都可以進一步掌握電池剩餘電量的多少，並進行電量運用之規畫。

其他可以有效管理電源的方式之一，則是透過電池計量元件來達成延長產品使用時間、保護資料和提供更好的使用經驗等目標。  

如德州儀器日前發表的電池計量元件(圖5)，就同樣內含低壓降穩壓器，並特別適合於智慧型手機和行動上網裝置，亦可用於內嵌電池或可更換電池的可攜式多媒體播放器。  

德州儀器表示，若採用電池計量技術Impedance Track，將可打造系統端和電池端電池計量元件，並預測電池電量。近期發表之系統端電池計量元件，就內含LDO穩壓器，不僅能減少所需外部電路，而且能直接以電池做為電源，大幅擴增使用環境。相關元件除了簡化主機系統的電池計量功能設計外，還能測量應用產品內單顆鋰離子電池的剩餘電力，以便預測它們在電池老化和其他各種狀況下的剩餘電力。  

Impedance Track是德州儀器推出的電池電力量測技術，其利用動態建模演算法(Dynamic Modeling Algorithm)來計算電池效能隨著時間、溫度和使用量的下降幅度，然後再分析其和電池陰極/陽極系統等典型化學性質間的關聯性，進而掌握電池細節。  

Impedance Track最初是以多顆電池組成的鋰離子電池組為目標，但也能支援其他類型的電池，如鎳氫和鎳鎘電池。除此之外，德州儀器還計畫支援單顆鋰離子電池應用，例如智慧型手機、數位相機和個人數位助理(PDA)等。  

除了系統端電池計量元件外，德州儀器新型電池組端計量元件，也能直接整合至嵌入式或可移除式電池組，同時透過其智慧功能管理電池的可用電力。  

德州儀器認為，精確的電池計量功能將可協助系統管理可用電力，將系統剩餘時間告知使用者，並盡可能延長系統運行時間。事實上，由於許多行動應用處理器都需要精確的電池資料，才能最佳化行動產品的電力使用，若能再提供精確的儲電 報警功能(Reserve Energy Warning)，更可於系統關機前把資料存到非揮發性記憶體(NVM)，防止資料在電力用盡時消失。  

商機遽增　PMIC蜂擁而上  

此外，業界同樣有不少廠商致力於電源管理晶片之進展。如AnalogicTech在2008年5月時發表第一款專為中階分碼多重存取(CDMA)手機之特定需求而設計的電源管理晶片。該款元件整合單顆鋰電池充電器、300毫安培降壓轉換器、五個LDO、重設功能及I2C介面，以滿足所有新一代CDMA手機之電源需求。  

此款元件之電池充電器為一動態元件，能在驅動系統時，同時為電池充電。此熱穩壓定電流/定電壓線性充電器結合通路元件、逆向阻斷保護、高精準電流及電壓調節、充電狀態及充電終止功能。充電電流、充電終止電流及再充電壓可透過外部電阻或標準I2C介面設定，透過I2C介面設定輸出電壓，可讓設計者強化系統效能。  

另外，1.8伏特降壓轉換器能提供300毫安培輸出電流，1.5MHz切換頻率能將外部支援元件尺寸縮小，同時保持低開關漏失，啟動時間則為120微秒(典型值)。而為驅動雜訊敏感度高之電路，AnalogicTech設計之五個LDO則提供60dB電源拒斥比(PSRR)及低雜訊操作，其中一個LDO可針對數位電路應用提供300毫安培輸出，其他四個則可分別輸出150毫安培。  

同樣在可攜式產品電源管理方案有所動作的Maxim，也於日前推出高度整合之電源管理晶片，瞄準多媒體播放器等可攜式產品為應用市場。從日前Maxim推出的相關產品內含智慧型電源選擇器、單一鋰電池充電器及五組電壓調節器可以看出，該公司重視能否延長多媒體播放時間，以滿足用戶感官享受。  

Maxim強調，使用者毋須外掛任何金屬氧化物(MOS)元件即可在相關電源管理晶片產品中，透過輸入控制邏輯，讓使用者對兩組輸入電壓源之於系統及電池所需切換控制做設定。  

此外，相關元件可透過獨立的設定腳位，針對輸入電流、充電電流及充電計時器進行設定，並提供三組切換式及兩組線性式電壓調節器，切換式電壓調節器效率達96%，每組輸出電壓皆可調整，亦可提供客製化出廠電壓預設定之功能。  

輕薄短小有時盡　功耗綿綿無絕期  

Armstrong認為，在可攜式電源管理市場區隔上，由於可攜式手持裝置要求更小、更快、及更具效率的直流對直流(DC-DC)轉換器，以允許更多產品特性及功能可被納入越來越緊縮的尺寸中，因此高效能類比之成長趨勢比其他整體類比市場更為快速。而唯有能提供如8MHz高切換頻率、高效率轉換以將熱損降至最低、於輕載時的高效率，待機模式下低至9毫安培的操作電流，再加上高度整合性內建金屬氧化層半導體場效電晶體(MOSFET)及蕭特基二極體，才能滿足市場需求，並提供精小、高效率解決方案。  

從近期業界動態即可看出，為了增加各種可攜式裝置之使用時間，各家電源管理晶片精銳盡出，以滿足行動接收、高速傳輸與多媒體應用之需求。由於各界紛紛在相關電源技術上多所耕耘，可攜式裝置之待機時間也不斷延長，以迎合市場需求。