提高可攜式產品電池續航力　整合型電源晶片功不可沒

2011-10-03

Tony Armstrong

電源電子產業所面臨的多項挑戰中，電源系統設計問題日益突顯。電源系統的複雜性和效能要求不斷增加，而且產品的上市時間壓力越來越大。但與此同時，該行業中合格的電源系統設計者，卻日漸稀少。

在過去20年中，學校教育培養出不少精通數位設計的畢業生，但在其中，能夠從事複雜類比設計的人卻少之又少。此類因素綜合後的結果即是於電源電子領域中出現了經驗缺口。正是由於該缺口的存在，導致許多系統問世時間被迫延後，而且電源系統的設計不盡理想。

系統運行日益複雜　外形/效益難兼顧

當今的可攜式電子產品設計者面臨著前所未有的挑戰。其中一個挑戰便是對高效能電源管理系統的需求，以適應系統複雜性的日益增加以及功率預算的不斷攀升。這些系統須要在諸多相互衝突的目標之間尋求最佳平衡，包括了長效的電池運行時間、與多種電源的相容性、高功率密度、小尺寸外形以及有效的熱管理。

雖然新型鋰電池技術勢必能增加能量密度，然而現狀卻是，安全問題的增多抵消了電池能量密度的提高，從而使人們採用包括低充電電壓、熱調整和適宜溫度充電等諸多充電策略。新型電池化學組成實現了較長的運行時間，不過，它們的電壓放電範圍卻隨之擴大，在電池電壓低於3伏特(V)的條件下具有大量的可用能量。如此的特性對有關的功率轉換系統產生了相當影響，導致同步升降壓穩壓器必須產生低至3伏特的輸出。

當今先進掌上型產品所需運算能力的提升，有很大程度上推動了用戶對較高功率解決方案的需求。同時，電源端的數目也在持續地增多。這種趨勢愈發地要求人們使用多輸出開關穩壓器解決方案，以滿足外形尺寸和效率目標，並控制熱損。此外，為了管理電池的運行時間，具有高效率和低待機電流的直流對直流(DC-DC)轉換器也是必不可少的。

可攜式電池續航力設計挑戰日增

當今可攜式電池供電型產品的系統設計者所面臨最具挑戰性的難題是，如何實現其電源管理系統的最佳設計以優化整體效能，並最大限度地延長電池續航力。直至最近，設計者因應的基本方法有兩種方案，一是採用單獨元件(各為某一項功能而優化)來構建系統，此一方法在設計、布局和熱管理方面提供了最大的靈活性，並為每項功能實現了適當的效能水準。但是，也存在重大缺陷，亦即成本相對昂貴，而且面對用戶日益增加的功能要求，採用單獨元件的解決方案將須要占用大量的板面空間。

在另一種極端情況下，設計者可從多種高整合度電源管理晶片(PMIC)中進行選擇。這些元件通常支援大多數應用所需的擴展功能組合，包括開關DC-DC控制器、完整電源和眾多的低壓差穩壓器(LDO)以及無關的混合訊號元件，例如觸控螢幕控制器、音頻編解碼器(CODEC)等的整合，如此的整合是相當不易處理的。因此，其使用上相當麻煩，僅為了將其導通而大多須要在韌體方面大量投資。

相較於效能，此類產品往往更加注重整合度，因此經常會因將熱量集中於產品內部的某一熱點之中，而導致熱管理的複雜化。諷刺的是，此類高整合度解決方案還須占用較大的電路板面積，原因是其採用了體積大、接腳多的封裝，並且它們迫使設計者不得不在電路板布局上進行繁複作業，以容納所有的相關外部元件，如控制金屬氧化物半導體場效電晶體(MOSFET)、電感、二極體和各種各樣的被動元件，以及從PMIC至整體系統內不同負載所需的全部布線。

同步降壓轉換器有效延長電池時效

目前市場上已有業者推出相應的可攜式電源管理方案，其擁有包括可達8MHz的開關頻率，以及旨在盡可能地減少熱問題的效能型轉換、待機模式中低至9微安培(μA)的低靜態電流，內置MOSFET和蕭特基二極體的整合度。此外，也有新型高整合度的PMIC，既不會犧牲效能，也不存在有可能成為障礙的複雜性。這些產品提供了能夠決定某種可攜式裝置成敗的功能，比如與通用序列匯流排On-the-go(USB OTG)和汽車相相容的電源路徑控制、自主型電池充電和高效率單片式DC-DC功率轉換。其他特點包括高充電電流、高開關頻率和獨立輸入/輸出(I/O)或內部整合電路(I²C)控制。該系列的封裝所占用的板面空間也較為傳統的PMIC少，約為9～20平方毫米(mm²)，而所需的外部元件也較少，且不須要使用鉭電容。

由於前述這類解決方案轉換效率有所提升，因此與傳統線性穩壓器相比，同步降壓轉換器在電池運行時間方面取得較佳改善。此類轉換器提供90～95%的效率，因此實際上免除了增設散熱裝置的需要。但為提升效率，代價是須占用額外的電路板空間，所以必須盡可能地縮減總體解決方案面積，此點極為重要。透過把多通道組合成一個同步降壓解決方案，使其均可從單個輸入電容運作，從而最大限度地壓縮解決方案的腳位面積。

再舉一例，即超級行動個人電腦(UMPC)內部常用的微處理器，此類微處理器具有多個於導通期間必須進行正確上電和停機操作的低電壓端。這些電壓端通常包括一個中央處理器(CPU)內核電壓、I/O和某些記憶體。此外，CPU內核電壓還要能夠視所須處理電平的不同而改變，因而要求電源動態地調整其電壓以實現功耗最佳化。而寬負載範圍內的低IC靜態電流和工作電流，再加上高開關穩壓器轉換效率，將有助於延長可攜式電子產品中的電池運行時間。為滿足此一需求，已有廠商推出一款四通道2.25MHz同步降壓型穩壓器，能夠從一個3毫米×3毫米四方形平面無接腳封裝(QFN)提供兩個600毫安培(mA)和兩個400毫安培連續輸出。每個通道均可透過板上I²C介面進行獨立控制，從而使其較適合於要求動態改變輸出電壓的應用，例如微處理器。

如上所述，寬負載範圍內的低IC靜態電流和工作電流，加上高開關穩壓器轉換效率，將有助於延長可攜式電子產品中電池運行時間。

該領域中近期問世的產品，有一款針對可攜式鋰離子/鋰聚合物電池供電型應用的微功率PMIC解決方案，其整合USB相容型線性管理器、一個獨立型電池充電器、兩個高效同步降壓型穩壓器和按鈕控制器，採用超薄型3毫米×3毫米QFN封裝。相當適合於低功率可攜式設備應用，包括可攜式導航裝置(PND)、小型可攜式電子設備、媒體播放器以及掌上型醫療和工業設備。

另一款具自動負載優先順序處理功能的管理器可負責對切換多個輸入電源進行無縫管理，以向負載供電，同時從一個USB埠或5伏特牆式轉接器電源來提供高達400毫安培的電池充電電流。輸入電流限值可透過接腳來選擇並在內部設定。其可與達5.5伏特的輸入相容。該元件的「即時接通」操作，即使在使用電量完全耗盡的電池時，也可維持系統負載供電。自主型操作除簡化設計外，並免除增設一個外部微處理器用於實現充電終止功能的需要。當輸入電流受限或不可用時，內部240毫歐姆(mΩ)理想二極體為負載提供了一條低損耗電源通路。該元件內建NTC功能，以實現適宜溫度充電(圖1)。