隨著消費者對行動娛樂及資訊方面的需求激增，個人電子手持裝置正急速發展。然而，當下手持裝置的發展重心，無疑是在於多媒體和無處不在的連網能力。時下最受歡迎的行動娛樂已為行動電視和手持遊戲機帶來強勁的增長。此外，由於網際網路的普及，也造就透過各種網路存取標準快速上網的手持裝置發展，這些標準包括無線區域網路(WiFi)、全球微波存取互通介面(WiMAX)和WCDMA等。
不過，手持電子裝置向來只能靠有限的電池電力啟動，若功能越多，電池的消耗自然越快。另外，行動電視與其他須要進行快速資料存取的應用，則讓使用者要求更長的使用時間。在這方面，鋰離子電池技術的發展顯然無法滿足用戶對電源的需求。因此，為了保持手持裝置的合理操作時間，加入革命性的電源管理技術已是刻不容緩。新的電源管理技術，如降壓升壓穩壓和後置穩壓等，都能為手持式多媒體裝置注入新動力。
利用降壓升壓穩壓器延長鋰電池壽命
今日手持式多媒體裝置中的硬碟，時常被用來存放MP3和影片等內容，這些硬碟驅動器均使用3.3伏特的電壓來驅動磁頭機械臂和啟動器。目前鋰離子電池的作用範圍約為3.0～4.2伏特，因此須要動用一個降壓升壓DC/DC轉換器來令鋰離子電池支援3.3伏特電源軌，並同時提供最佳的效率。當輸入電壓(VIN)大於3.3伏特時，降壓升壓DC/DC轉換器便會降低電壓，而隨著電池開始衰退，VIN便會下跌至3.3伏特以下，這時降壓升壓便會緊接地從降壓操作轉換到升壓操作，以維持精準和穩定的3.3伏特電軌。
在手持裝置中，另一個高電壓應用是GSM行動電話的功率放大器(PA)，它所要求的輸出電壓高達3.4伏特。但由於大部分的GSM功率放大器都是用鋰電池來直接供電，它們便決定了手持裝置中電池電壓的關閉點，亦即設備在何時關閉。
一個沒有使用降壓升壓穩壓器的系統，必須設定成在較高的電壓下關閉，在一般的情況下不會超過3.5伏特，但這便縮短了運作的時間。如果將較高電壓3.5伏特關閉所損失的工作時間，與在3.0伏特時相比，大約損失10～20%。
不過，很多人都忽略，這個工作時間上的損失，其實可以透過在電池與負載之間加入一個降壓升壓來挽回。同步降壓升壓DC/DC轉換器的體系結構，以及它隨著VIN的改變而從升壓和降壓間的過渡轉換如圖1。
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| 圖1 降壓升壓穩壓器在手持設備中使用的系統方塊圖 |
在手持裝置中的另一項主要挑戰，是系統對峰值電流的要求不斷增加。現今大部分的手持裝置均擁有額外的影像處理器，以支援如3D圖形和數位影像處理等功能，而這些處理器的峰值電流更可高達1.5安培。此外，新的功能如行動電視，也會進一步提高系統對電流的要求，而數位子系統連同射頻(RF)系統的放大要求，會導致電池出現很大的突波電流，令電池電壓大幅下降。
運作時間分秒必爭
如在GSM電話內，來自處理器的同步1.5安培/3.4伏特GSM脈衝，和1.5安培/1.8伏特脈衝會產生出一個約2.3安培的電池電流。而鋰離子電池的標準DC電阻一般額定為150mΩ，並會在-30℃時上升至約200mΩ，電池電壓在-30℃時則會下降460毫伏特。
這個問題是，設計人員必須將系統的關閉電池電壓設得很高，因而犧牲了不少系統運行的時間。解決這問題的方法亦是在供電給數位子系統的電源管理晶片前，加上一個降壓升壓DC/DC轉換器來作為前置穩壓。
圖1中LM3668同步降壓升壓DC/DC轉換器能夠為電源管理電路提供穩定的3.3伏特輸入，而期間不會受到電池電壓的波動所影響，因此可挽回電池的額外操作時間，並防止一切因VIN波動所引起的不必要故障。對於延長工作時間來說，因為相關轉換器可在輕負載時提供PFM操作以及可儘量減低在PWM模式時的開關損耗，因此穩壓器非常重要。
後置穩壓設計有助節省物料成本
手持裝置的功能愈多，代表在電路板上的元件數量也愈多，不過用以放置元件的電路板正不斷縮小，原因是每家製造商無不想設計出最小巧的手持產品。這又帶來另一項挑戰，就是不斷縮小的空間迫使各個解決方案朝向微型化發展。在電源管理方面，這項挑戰更因必須強化裝置可運作時間而變得更加嚴峻。
目前在電源管理系統上最常見的升級方法，是用一個小巧的同步開關穩壓器方案來取代線性穩壓器方案。可是，最小的降壓DC/DC轉換器尺寸都比線性的大三倍，而且因為須整合電感器和體積較大的輸入和輸出電容器，因此成本更加昂貴。
另一個降壓DC/DC轉換器以外的選擇，是使用後置式穩壓設計。其原理是使用一個DC/DC轉換器來生成一個電源軌，亦可用作低輸入電壓線性穩壓器用的輸入。這樣做的效果相當於兩個電感性開關，但成本和體積都可減少。兩個方案間的比較如圖2。
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| 圖2 降壓DC/DC轉換器與後置穩壓設計在電路板使用空間的比較 |
後置穩壓設計可節省40%的電路板空間，以及可因減少外部元件的用量促使成本下降。但因效率的最佳化必須透過微化低輸入線性穩壓器的輸入和輸出之間的壓降來取得，因此採用後置式穩壓幾乎得不到任何效率上的改善。
從圖2可見，1.5伏特低壓降(LDO)穩壓器的效率為83.3%，這程度可與DC/DC轉換器的效率媲美，而且比起直接由電池供電的普通LDO高很多。假設VIN為3.6伏特和DC/DC轉換器效率為85%，對於一個須要為核心消耗500毫安培和為輸入/輸出(I/O)及記憶體消耗300毫安培的處理器來說，採用雙DC/DC轉換器和後置穩壓方案所得出的電池電流只有僅5毫安培的差別。由於電池電流才是真正電池工作時間的測量，而不是數值上幾個百分點的差別，因此可以忽略由後置穩壓帶來的些微工作時間。新一代影像處理器對核心和I/O之間的電壓要求差異愈來愈小，現在，普遍的I/O電壓為1.8伏特，而核心電壓則由1.2伏特至1.6伏特不等。這個電壓上的組合非常適合後置穩壓，當中I/O電壓由DC/DC轉換器供應，而核心電壓則由LDO去供應。
電源管理是手持裝置開啟多媒體革命大門的關鍵，電源配置已不單單是有效率地穩壓，而須要同時兼顧到手持裝置的電源管理問題。電源電路的設計人員必須不斷留意系統上的各項挑戰，才能為手持裝置製造商帶來出色的電源管理電路。
(本文作者為美國國家半導體市場行銷經理)