手機多元應用帶來高度電源損耗
升降壓轉換器有助延長電池壽命文

以往只要使用幾個線性穩壓器便能提升所需的效能，而許多可攜式產品也都只使用線性穩壓器來控制電源。過去多採用三節鎳鎘(NiCd)或鎳氫(NiMH)電池，但為達到更高的效能，這些化學材質電池幾已完全被單節鋰電池所取代。隨著應用所需的電流不斷增加，某些線性穩壓器也已被成本較高但效能較佳的降壓轉換器取代。處理器核心及輸入/輸出介面(I/O)等的電源軌就是如此產生的。  

由於線性穩壓器及降壓轉換器只能夠在輸入電壓較高的情況下調節輸入電壓，因此，如果電池電壓低於設定的輸出電壓，系統就必須關閉。其中，線性穩壓器的最低壓差容限或橫跨電感與開關的壓降容限必須加入輸出電壓中，因此，在鋰電池一般所產生的3.3伏特電源軌中，使系統關閉的一般電池電壓是3.4伏特。  

在此情況下，便無法使用放電至3.0伏特時才會出現的剩餘電源。在現有鋰電池中，透過測量可顯示的剩餘電源大約是10%，這表示，除了使用平均效率約為97%的降壓轉換器，其他任何替代解決方案的執行都必須發揮高於87%的平均效率，才能增加單顆電池的運作時間。這是一大挑戰。  

一般而言，一個經濟且可行的單端初級電感轉換器(SEPIC)或返馳式解決方案須達到最大85%的效率。若要達到此效率，必須考量同步整流等多種提升效率的方法，而且此一解決方案的尺寸勢必會大於降壓轉換器的尺寸。使用四次開關的升降壓轉換，其中固定會有兩個開關同時主動切換，才可在最佳化的解決方案中達到近似85%的效率。從這個觀點來看，升降壓轉換器的使用毫無優點可言，所以過去完全不予採行。  

除此之外，還有其他挑戰必須克服。例如，手機會在資料傳輸期間使用高電流脈衝供電給射頻功率放大器(PA)。這些脈衝電流會直接取自電池，造成電池阻抗及電池連接器出現額外的電壓降幅，進而可能會使得系統電壓監測裝置在電流脈衝期間因為電源電壓不足而關閉系統。另外，手機裡發光二極體(LED)型相機閃光燈應用或媒體播放應用的硬碟驅動，都會對電池造成類似的效應。老化或低溫所導致的電池阻抗增加將使這些問題更形嚴重，此時可使用升降壓轉換器來處理重要系統電源軌的電源電壓降幅。如此一來，系統的運作將更加平穩，而且可對較低的電池電壓進行放電。  

此外，電池的效能也相對提升。使用較寬的輸出電壓範圍通常可增加電池容量，例如未來的鋰電池技術最高可充電至4.5伏特，而放電程度最低可達到2.3伏特。 如果在3.4伏特即行斷電，就會有相當多的電池容量未被使用到。  

低電壓電池漸普及　升降壓轉換勢在必行  

此一情況無疑須要進行升降壓轉換。一個可行的方式是藉由產生如5伏特的單個高系統電壓軌，以產生高於電池斷電電壓的所有系統電壓軌。使用較大的高效率升壓轉換器及串聯的降壓轉換器通常就能達到目的，其整體的電源轉換效能可輕易到達90%以上。然而，額外添加升壓轉換器會占用更多空間，因此對於可攜式手持裝置並非切實可行。  

另一種方法是利用升降壓轉換器直接從電池產生系統電源軌。如前所述，電源轉換的效率與解決方案的尺寸對設計出具競爭力的電源管理解決方案來說，是一個相當重要的參數。  

就這點來說，採用SEPIC或返馳式拓樸的升降壓轉換解決方案並不適合。因為該方案需要額外的大型被動元件，並且通常效率較低。運用四個開關的單一電感解決方案雖可滿足這些需求，然在操作簡易驅動機制時，固定會有兩個開關同時活動，導致流經這些元件的均方根(RMS)電流較高，因而降低效率，且增加電感及開關的尺寸需求。如果僅主動驅動一側的開關，也就是一直將裝置做為降壓或升壓轉換器之用，則可達最高效率，而且由於RMS電流較低，因此解決方案尺寸最小。在此情況下，降壓及升壓轉換會在兩個拓撲都達到最高效率的運作點時完成。  

圖1以升降壓轉換器為例，顯示了最佳化升降壓解決方案的效率與輸入電壓曲線，展示出這類控制策略的實作方式。

圖1　升降壓轉換器的效率與輸入電壓

正如同前文對獨立式升壓及降壓轉換器所做的預測，當輸入電壓和輸出電壓接近時，所達到的效率最高。由於這是升降壓解決方案最可能的運作情況，因此此轉換器能夠妥善解決這類應用的挑戰。  

如圖1所示，在重要的運作輸入及輸出電壓上，最佳化的控制機制能夠達到95%的效率，因而此升降壓轉換器也可用來改善標準鋰電池供電應用的運作時間。使用電池的全部電量，並且在整合式安全電路可承受的範圍內放電到3.0伏特甚至是2.5伏特，便能夠達到此一目的。圖2顯示使用升降壓轉換器將鋰二氧化錳(Li-MnO)電池放電到2.5伏特時，其電源轉換的效率。相較於高效能降壓轉換器的電源解決方案，藉由對兩種轉換器架構使用相同負載，電池使用時間可提升15%。

圖2　升降壓及降壓轉換器在鋰二氧化錳電池放電期間的效率

從以上可知，若慎選電源相關零組件，將可有效提升終端裝置之使用壽命，同時進而刺激產品之接受度。  

(本文作者任職於德州儀器)