設計以電池供電的可攜式無線裝置時，最重要的問題之一是系統應如何散熱。這類裝置通常不具備冷卻風扇，如果用於這類裝置中的電源轉換和管理晶片轉換效率不佳，系統的散熱效率又不足，就會造成熱量囤積在裝置中。這種熱量來自電源輸送過程中穩壓器內功率的損失。
在很多可攜式裝置中，可用來冷卻的空氣流動有限，而且散熱片由於自身尺寸和裝置內可用空間而受到限制，因此元件密集排列的印刷電路板必須肩負起系統散熱的任務。然而，系統散熱設計畢竟只能治標，正本清源之道仍在於減少熱量產生，因此系統設計者必須根據電源轉換過程產生的熱量，仔細考量應使用何種類型的穩壓器。目前已有很多可攜式無線裝置製造商採用工作效率更高的開關穩壓器，以便從源頭解決系統散熱問題。
開關式電源路徑控制優勢顯著
並非所有可攜式無線產品均內建電池充電器，有些製造商是將電池充電器放在附屬的充電座中。這些充電座允許該裝置與外部裝置(如電腦主機)通訊，並同時提供電池充電電流。也有些製造商為了節省成本和設計時間，僅採用單顆或多顆標準圓柱形AA或AAA電池為產品供電。圖1為一典型的可攜式無線裝置之電源轉換和管理架構。
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| 圖1 典型的可攜式無線裝置電源架構 |
幾乎在任何類型的可攜式無線裝置中，都具備多條不同的電壓軌，這種情況很常見，除了某些類型的電池，這些裝置可能還有多個輸入電源。這些電壓軌一般包括一個3伏特或3.3伏特的主系統匯流排、一個1.2伏特的微處理器或DSP核心電壓、用於輸入/輸出(I/O)的1.8伏特、用於射頻電源的2.8伏特、用於通用序列匯流排(USB)OTG支援或為音頻電路供電的5伏特及一個為發光二極體(LED)陣列供電，以提供顯示器背光照明的LED驅動器。不過，如何最佳化地管理來自各種不同輸入電源的可用功率，以最佳化終端產品的功能，同時為電池充電(如果內建電池，是一個常見的問題)。解決這個複雜問題，必須仰賴簡單有效的電源路徑控制電路。
電源路徑控制是一個自動的負載優先處理電路，在優先向系統負載供電的同時，能自主和無縫式地管理如USB、牆式電源轉接器和電池等多個輸入電源之間的電源路徑。在傳統的電池饋送型充電系統中，使用者必須等到有足夠的電池充電量和電壓值，才能獲得系統功率。相反地，電源路徑控制允許終端產品一插電後就立即工作，而不論電池的充電狀態如何。
電源路徑控制電路可以用線性和開關架構來實現。線性電源路徑架構的好處在於簡單、成本效益佳，但效率是其常被詬病之處。相反的，開關模式電源路徑架構可提高向系統負載和電池供電的效率。開關模式電源路徑架構透過消除在線性電池充電器單元損失的功率而達到此目的。當電池電壓低和/或輸入功率有限時，例如靠一個受限的USB介面供電，電源路徑架構的效率尤其重要。
在可攜式無線裝置設計中採用高轉換效率的電源路徑架構可帶來兩大優勢，其一為熱特性極佳，有助克服系統散熱設計的挑戰，其二是可以實現快速充電功能。前文已提到散熱對這類產品的重要性及其所造成的設計挑戰，而快速充電功能的實現，亦須仰賴電源路徑架構的效率。例如當電池處於低電壓狀態時，具備90%以上轉換效率的開關架構可讓電池從一個標準USB介面汲取高達700毫安培的電池充電電流。若是採用效率僅達60%的線性架構，便無法從單一USB介面汲取如此高的電流。
電池特性/電源管理設計緊密相依
除了鋰離子電池，基於便利性、可用性和成本考量，多種可攜式無線裝置仍使用AA或AAA型的鎳、鹼性或鋰化學材料電池供電，且目前市面上已有許多可反覆充電使用的AA或AAA型電池。不同型態的電池由於其特性各異，因此為本來就已經相當複雜的電源路徑設計添加更多挑戰。
為一個具備兩顆AA或AAA型電池、5伏特交流變壓器或5伏特供電等多種不同電力來源的可攜式無線裝置進行電源管理設計時，最大的障礙之一是為主電源軌提供固定3伏特或3.3伏特輸出，以及微處理器(MPU)或數位訊號處理器(DSP)核心電壓所需的1.2伏特輸出。當該裝置由5伏特牆式電源轉接器或5伏特USB供電時，僅需要直流對直流(DC-DC)降壓轉換器。但當該裝置進入電池供電模式時，便必須同時採用DC-DC升降壓轉換器與降壓轉換器，來分別為主電源軌及處理器提供3/3.3伏特與1.2伏特電壓。
這是因為兩顆AA(鎳或鹼性)電池的放電曲線是從3.2～1.8伏特。不過，若是採用鋰化學材料製作的AA和AAA型電池，其放電曲線便會向上平移約0.4伏特，因此設計人員必須採用升降壓穩壓器，以更高效率在整個電池放電範圍內穩壓3.0伏特或3.3伏特軌。此外，記憶體的供電電壓通常為1.8伏特，因此電源管理方案常常需要第二個降壓通道來專門為記憶體供電。
值得一提的是，除了一般消費型產品外，掌上型儀表和醫療診斷設備等可攜式無線儀表，近來也獲得越來越多市場關注。但這類裝置與一般消費性產品不同，須執行大量資料處理任務，因此系統耗電量普遍較高，必須由三或四顆AA型電池供電的情形相當普遍。這意味著電池組對電源管理晶片的輸入電壓範圍變得更寬廣，可高達7伏特，因此電源管理元件必須能支援更寬廣的輸入電壓。
電源管理也吹綠色風
過去1年中，綠色環保概念大量出現在新聞中，很多電源管理和轉換晶片供應商為了因應日後的綠色浪潮，紛紛於提升電源轉換效率方面投入大量研發資源，並取得不少可觀成果，例如目前電源管理晶片在寬負載範圍內的電源轉換效率，均出現顯著改善。此外，人們也開始意識到，不管產品是靠插到牆上的電源插座還是靠電池供電工作，都必須具備節能省電特性。
對電池供電的可攜式無線產品而言，省電或低功耗議題已是老生常談。值得注意的是，由於目前市面上還有不少產品使用多顆AA或AAA型電池供電，而這類電池通常含有有害化學材料，因此，如何延長這類有毒電池的使用壽命，減少其更換頻率，便成為可攜式裝置電源管理供應商的課題，也是各地主管機關試圖以法規手段追求的目標。
因此，就一個用在任何類型節能裝置中的電源管理和轉換晶片而言，任何內部使用的DC-DC轉換器都必須有兩個主要的特性。首先，轉換器必須在寬廣負載電流範圍內擁有非常高的轉換效率。其次，在待機和停機模式時，轉換器必須具備非常低的靜態電流。
目前市場上最新一代針對電池供電和電池備份應用設計的電源管理晶片，多半已將許多以往必須用獨立元件才能實現的功能整合在單一封裝中，且兼顧上述環保、低功耗的特性。例如凌力爾特(Linear Technology)的LTC3101便是一整合低損耗電源路徑(PowerPath)控制器、三個高效率同步開關穩壓器、熱插拔輸出、按鍵控制、可編程處理器重設產生器和低壓降穩壓器(LDO)等元件的解決方案。
電源輸出品質不可輕忽
由於終端產品在應用設計上可能會採用多種不同電池，因此電源管理方案的輸入電壓必須更為寬廣，例如在輸入電壓範圍方面，目前解決方案已拓展至1.8～5.5伏特，如此方可支援鎳、鋰或鹼性AA或AAA型電池、標準單節鋰離子/聚合物棱柱形電池及USB或5伏特牆式電源轉接器(圖2)。
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| 圖2 具備兩顆AA電池輸入的LTC3101詳細方塊圖 |
在新一代的高整合度電源管理解決方案中，使用低導通電阻開關是一大趨勢，因為開關的導通電阻對穩壓器的效率影響重大。降低導通電阻，才能實現更高的升降壓效率和降壓穩壓器效率，從而最大限度地延長電池續航力(圖3)。
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| 圖3 LTC3101升降壓和雙組降壓轉換器的效率曲線 |
此外，整體解決方案的尺寸大小，仍是產品設計人員所重視的指標。為了追求更精巧的尺寸，目前電源管理元件的開關頻率已突破1MHz大關，因為提升開關頻率可讓設計人員使用更小巧、低成本電容和電感。此外，電源管理元件能否與陶瓷輸出電容穩定搭配也是設計人員所關切的重點，因為這類電容有助實現非常低的輸出電壓漣波，進而提升整個電源供應的品質。
(本文作者為凌力爾特產品行銷部總監)