對於智慧型手機IC研發工作而言，最關鍵的設計要素在於輕巧體積，其他重要課題，含括高效率、彈性和外部元件數量；而強調大螢幕的導航系統，體積就不必斤斤計較，毋須比照其他手持型應用裝置，執著於輕薄短小。雖然同屬於手持裝置，但是導航系統的設計，一次僅能使用幾個小時。這類裝置通常固定於汽車儀表板，仰賴汽車電池與12伏特轉接器供電。轉接器通常包含預先調整器，提供5伏特直流電作為導航系統的輸入電源。電源也可以來自專屬的供電線路或通用序列匯流排(USB)轉接器。對多數機種來說，輸入電壓是替內建鋰電池充電，而電池充電又分為兩種不同的概念：含電源路徑(圖1)或不含電源路徑(圖2)。
含電源路徑的充電器具備多重優點
包含電源路徑與否差異在於電池連接負載的方式。若是不包括電源路徑的充電器，電池直接連接於電源負載，而充電器供應的電流分為負載和電池兩部分。只要應用裝置關閉，沒有任何負載電流，電流會完全投入電池充電工作；若是應用裝置開啟，充電電流減少，並將一部分電流供應給應用裝置，但是無法預測供應給電池的充電電流多寡，只能得知電池和應用裝置的充電器總輸出電流。
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| 圖1 充電器不含電源路徑 |
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| 圖2 充電器含電源路徑 |
第二個充電器拓撲，包含所謂的電源路徑，其中設有開關，隔開電池與負載部分。假使充電器沒有輸入電壓，開關將關閉，並由電池連接輸出，將電源供應給應用裝置。連接外部電源時，從電池到電源輸出的開關會開啟，從充電器輸入到電源輸出的第二個開關則關閉。輸入電壓可直接連接輸出，也可預先調整為100毫伏特以上的電池電壓或固定電壓。另有第二組電路，獨立進行電池充電。含電源路徑的充電器，提供了各種選擇，來自汽車轉接器的電流，或通用序列匯流排的電流，可個別設定視情況限制輸入電流。此一概念有多重優點：
考量電源耗用與配置 提升使用彈性與效能
就電源供應而言，輸入電壓範圍各不相同，視使用的充電器類型而定。最低操作電壓，通常由鋰電池的最低電壓定義，標準鋰電池的最低電壓最低可達3.0伏特，最高電壓則須視充電器而定。對於不含充電路徑的充電器，最大電壓等於最大電池電壓，通常是4.2伏特；若包含充電路徑，則電壓可升高超過5伏特。因此，電源供應如果能在所有的輸入電壓範圍內，都達到良好效率，自是求之不得。倘若低漏失線性調整器(LDO)係整合於電源供應晶片，充電效率完全受到傳輸元件的電壓影響，而傳輸元件的電壓則由輸入和輸出電壓的差異所定義，前述條件更顯得茲事體大。
積體電路長久以來就存在能否整合充電器的疑問，即使積體電路有辦法盡量納入多個必要的電路，提供小型裝置應用所需的電力，仍不免產生效能不彰、缺乏彈性等問題。從電源耗用的觀點和配置的角度而言，合乎邏輯的作法是將電池充電器獨立於電源管理單元(PMU)之外，使充電器能彈性轉接於可用的輸入來源和使用的電池。充電器的位置，靠近電池或輸入連接器，而PMU理當與等待供電的處理器相連。
尚有其他解決方案，整合顯示幕和顯示幕背光，以及音訊放大器和音訊編解碼器(Codec)等部分的供電。增加這些額外的部分，也存有相同的充電器相關問題。整合多種不同部分的裝置，包括不同應用的彈性解決方案，乃至於使用者特定裝置--此類裝置的某些參數必須接受折衷而調整，否則無法因應多種不同的應用方式；功能有限的裝置，則在目的上提供了較高的彈性。下述範例是專門用於特定應用和/或特定處理器的裝置。從輸出電流容量和輸出電壓角度，德州儀器(TI)的TPS65024x電源管理系列，相當適合處理器使用。這當然不表示本裝置無法滿足供電給其他項目，但在全力支援處理器的情況下，需要較少的外部元件。
電源管理有效維持 高效率電流範圍
TPS65024x電源管理系列含有三個降壓轉換器，專門用於手持裝置的輸入輸出(I/O)、記憶體和核心電壓。此外，有三個電壓電極 LDO需要極低波動或低電流的供應電壓。兩個稱為LDO1和LDO2的LDO，可提供200毫安培的輸出電流，第三個LDO(LDO3)則專門用於即使應用處理器進入休眠模式仍需開啟的電壓電極(Vdd_alive)，輸出電流容量為30毫安培，而LDO3供應電流只有10微安培，將休眠模式時的電池電流降至最低。
在廣闊的輸出電流範圍內始終維持高效率，是電池供電應用的重點所在。因此，所有裝置都經過最佳化，適合使用低靜止供應電流，這類電流是晶片所需的電流，也不向輸出供應電流，但仍可維持輸出電壓。對於長時間處於待機模式的應用裝置來說，這是重要的參數。低靜止供應電流不僅改善了待機時間(應用裝置時不需要任何供應電流)，同時也是以直流對直流轉換器極低輸出電流發揮效能的重要因素。
降壓轉換器(Step-down Converter)等直流對直流轉換器的效能，受到三項因素影響。在高輸出電流時，效能主要受到內部電源開關電阻所左右，因此，在這個操作範圍裡，低電阻相當重要。在降壓轉換器中，以固定頻率脈衝寬度調節模式(PWM)運作時，負載循環須視輸出輸入電壓比而定。對於低輸出電壓，內部低位開關(NMOS)開啟的時間，長過高位開關(PMOS)；對於高輸出電壓，高位開關開啟的時間則較長。因此，假設所有轉換器的輸入電壓都相同，一般是指鋰電池或牆面轉接器的固定電壓，合理的作法是先調整其尺寸，並隨之調整目標轉換器輸出電壓開關的電阻。
脈衝頻率模式發揮最理想效率特性
對於10～200微安培範圍的輸出電流而言，開關電阻不是造成主要流失的因素，反而是電池開關和電感流失的電閘耗用，決定了效能的高低。其中的主要技術是將頻率切換為輸出電流，可在此操作範圍維持高效率，此技術稱為「脈衝頻率模式(PFM)」。
脈衝頻率模式只會將電源恆定部分供應輸出使用，這使得高輸出電流的切換頻率也會偏高，並使低輸出電流出現低切換頻率和低切換流失。對於轉換器的極低輸出電流，靜止供應電流造成的固定流失，決定了前述的效率。TPS65024x系列產品的所有設計，都足以將流失降至最低，能發揮各種電壓和電流範圍裡的最理想效率。
此裝置如圖3所示，已針對三星(Samsung)應用處理器加以最佳化，低電源模式需要的核心電壓為1.0伏特，一般操作模式則需要1.3伏特。為使外部元件數量降至最低，降壓轉換器1的電壓固定為I/O電壓專用的3.3伏特或2.8伏特輸出。轉換器2用於2.5伏特或1.8伏特的記憶體電壓，視DEFDCDC3的數位輸入狀態而定。轉換器3的輸出電壓可切換為1.0伏特或1.3伏特。因此，不需要任何外部元件，也能設定降壓轉換器1和2的電壓。基於作業彈性考量，還能連接外部電壓分配器，以便將輸出電壓設定在0.6伏特至轉換器1和轉換器2輸入電壓(Vbat)的範圍內。圖4顯示設定轉換器１和轉換器2的選項。
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| 圖3 TPS650240區塊圖 |
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| 圖4 設定轉換器1和轉換器2的輸出電壓 |
三個LDO的其中兩個，具備個別的輸入電壓接腳，因此能以範圍在1.5～6.5伏特之間的任何輸入電壓進行供電。LDO3則以輸入電壓接腳Vcc進行供電。另外有一個電壓比較器，能偵測電池電壓是否降至特定臨界值以下，即時向應用處理器發出警示。
(本文作者任職於德州儀器)