中心議題：

• 智能手機電池的選擇
• 智能手機電源拓撲設計
• 智能手機的電源管理係統設計

解決方案：

• 離散解決方案
• 整合解決方案

當今科技所需求的手機電池除了要能夠長時間供應穩定電源外
，體積小重量輕也是關鍵。縮小電路板麵積、增長供電時間與減少成本該如何畢其功於一役？將眾多電源管理組件整合在單一芯片上將是解決問題的最好途徑。

早zao期qi的de行xing動dong電dian話hua不bu是shi體ti積ji笨ben重zhong龐pang大da，就jiu是shi必bi須xu受shou到dao汽qi車che電dian池chi的de束shu縛fu，但dan經jing過guo長chang時shi間jian的de發fa展zhan，今jin天tian的de行xing動dong電dian話hua已yi變bian得de非fei常chang輕qing巧qiao
，除chu了le電dian話hua功gong能neng，它ta們men還hai會hui做zuo許xu多duo事shi。新xin型xing3.xG 智能型手機把傳統的2G 行動電話和多種其它功能結合在一起
，包括PDA、數字相機、音樂播放機（MP3）以及全球定位係統（GPS）。如此多元的功能需要許多零件


，其中絕大多數的電源電壓並不相同，電流需求則不斷增加，使得它們需要更多電力。(圖一)是從2G 語音電話升級到3G 視訊電話後，功率需求增加的估計值。

圖一 功耗值

zaicitongshi

，xiaofeizhequexiangyaogengjingqiaodeshouji。benwenjieshaoliangzhongdianyuanguanlixitong
，tamenkeyixiezhuzhinengxingshoujishejirenyuanzaibicichongtudemubiaojianqudepingheng，lirujiangfengzhuangjianzhizuixiao，tongshizhichigengdadegonglvxuqiu;實現最佳效率
，讓電池提供最長的使用時間;以及將電源噪聲和漣波降至可接受水平
，以支持新世代的行動電話。

選擇電池

xuanzechongdiandianchishidianyuanguanlixitongshejideshouyaogongzuozhiyi，nieqingdianchihelilizidianchizeshimuqianjinyoudeliangzhongshijixuanze。lilizidianchidedanweitijixudianliangwei270～300Wh/l，單位重量蓄電量為110～130Wh/kg

，都高於鎳氫電池的220～300Wh/l 以及75～100Wh/kg
，因此在同樣蓄電量下，鋰離子電池的體積和重量都小於鎳氫電池;另外

，鋰離子電池的3.6V 工作電壓也高於鎳氫電池的1.2V。行動電話的多數功耗都來自於1.2V 和3.3V 電源，要讓交換式電源轉換器發揮最大工作效率，較有效的方法通常是從高電壓轉換至低電壓，而不是從低電壓轉換至高電壓
，因此鋰離子電池是最佳選擇。

要讓充電電池提供最長使用時間
，適當的電池管理和控製就顯得格外重要。電池管理包含三個部份：充電控製
、dianchijianshihedianchibaohu。congshiyongwaijiedaotongzujiandexianxingkongzhiqikaishi，daoneijiankaiguanzujianqiexiaolvgenggaodejiaohuanshikongzhiqi，chongdiankongzhizujianyiyouchangzujinbu。dianchichongdianqibixuchuli500mA 到1500mA 範圍內的電流，以便提供快速的充電周期時間。電池監視和保護組件通常都與電池封裝在一起
，電池監視組件可以是簡單的「電荷計量器」（coulomb counter），由中央處理器負責計算電池剩餘電力;也可以是內建微控製器的電池電力量測組件（gas gauge），由它透過DSP 與處理器之間的簡單界麵，直接提供剩餘電力、剩餘供電時間、電池電壓、溫度和平均電流量測值等資料。

電源拓樸

接著，設計工程師必須決定電源轉換組件的種類
，它或許是以電感為基礎、並且內建FET 開關的交換式電源轉換器

、無電感的交換式電源轉換器（電荷泵浦）huoshixianxingwenyaqi。zhexiezhuanhuanqigeyouqiyoudian。jiuxiaolveryan
，yidianganweijichudezhuanhuanqiyongyouzuigaodezhengtixiaolv，qicishidianhebengpu，zuihoucaishixianxingwenyaqi。chengbentongchangfanbiyuxiaolv
，yincixianxingwenyaqichengbenzuidi，ranhoushidianhebengpu，zuihouzeshiyidianganweijichudezhuanhuanqi。xianxingwenyaqimeiyoushuchulianbo，dianhebengpuyouyixieshuchulianbo
，jiaohuanshiwenyaqideshuchulianbozezaisanzhezhijianzuigao。jiuzhenggejiejuefangandetijilaikan，xianxingwenyaqidetijizuixiao
，tongchangzhixushuruheshuchudianrong，dianhebengpuchuleshuruheshuchudianrongwai，haixuyikehuoliangke「飛馳」（flying）電容，交換式穩壓器則需要電感器，因此其封裝體積會有很大差異。
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無論DSP 或模擬數字轉換器等數字零件
，或是電源管理係統等模擬零件，2G 電(dian)話(hua)幾(ji)乎(hu)不(bu)提(ti)供(gong)任(ren)何(he)的(de)功(gong)能(neng)整(zheng)合(he)，係(xi)統(tong)設(she)計(ji)人(ren)員(yuan)在(zai)發(fa)展(zhan)電(dian)源(yuan)管(guan)理(li)係(xi)統(tong)時(shi)，通(tong)常(chang)會(hui)以(yi)成(cheng)本(ben)和(he)體(ti)積(ji)為(wei)優(you)先(xian)考(kao)慮(lv)
，而(er)不(bu)是(shi)轉(zhuan)換(huan)效(xiao)率(lv)。線(xian)性(xing)穩(wen)壓(ya)器(qi)隻(zhi)能(neng)將(jiang)輸(shu)入(ru)電(dian)壓(ya)轉(zhuan)換(huan)成(cheng)更(geng)低(di)的(de)輸(shu)出(chu)電(dian)壓(ya)，因(yin)此(ci)電(dian)池(chi)電(dian)壓(ya)必(bi)須(xu)高(gao)於(yu)3.3V，此時可利用低電流或中電流的線性穩壓器進行電壓轉換
，以便提供電力給至2.8V 範圍內的其它電源需求。在3G 芯片組中，基頻處理器現已包含DSP
、微處理器／微控製器、模擬數字轉換器和數字模擬轉換器，用來控製射頻訊號和音頻訊號處理。這顆處理器的核心電壓已降至1.2V 或是更低，I/O 和外圍電壓也開始減少至2.5V 至3.0V 範圍;由於3.xG 電話的電流需求通常都超過2.G 電話
，3.xG shejirenyuanxuyaoxiaolvgaoyuxianxingwenyaqidezhiliudianyuanzhuanhuanqi
，yibiantigonggengchangdedianchishiyongshijian。weijinyibuyanchangdianchishouming，xuduoshejirenyuanbixujinliangliyonglilizidianchidianli，zhidaoqidianyajiangzhi 最小值為止;在此過程中

，如何產生3.3V 電壓就變成一項挑戰。從表麵上來看

，設計人員若能繼續使用電池直到2.7V，並利用正電源降壓—升壓轉換器或是SEPIC 轉換器提供3.3V 電源，可攜式裝置的電池壽命就會大幅延長
，但是根據(表一)針對600mAh 電池所做的簡單分析可發現情形並非如此，因為無論是采用效率更高的降壓轉換器，並將電池使用到3.3V，或是采用SEPIC 之類的轉換器，並將電池電力完全用盡
，這兩種方式的供電時間幾乎沒有任何區別。

表一 60mAh 電池分析

除此之外，無論是使用兩顆電感的SEPIC 轉換器

，或是某些效率更高的新型正電源降壓—升壓轉換器
，它們的成本都更高
，因此在做整體評估時，隻使用3.3V 以上的電池電力，然後利用高效率交換式電源轉換器提供3.3V 電源的方法不但更有效率，還可能是更具吸引力的選擇。以下介紹的離散解決方案就是使用降壓轉換器提供3.3V 電源
，整合式解決方案則采用SEPIC 轉換器。

係統概述

不同的智能型手機零件有著不同的電源需求，(圖二)是行動電話中需要電源的主要零件簡單方塊圖，例如射頻單元的壓控振蕩器（VCO）以及鎖相回路（PLL）jiuxuyaojidizaoshenghehengaodianyuanjuchibidedianyuan
，quebaotamentigongzuigaodechuansonghejieshouxiaoneng，yincisuiranxianxingwenyaqidexiaolvbugao，danyouyutameiyoushuchulianbo
，suoyishizheleidianyuangongyingdezuijiaxuanze;同樣重要的是將直流轉換器的開關頻率，還有它們的二階和三階諧波，都保持在中頻頻帶之外。由於DSP 和中央處理器的核心電壓已降至1V 左(zuo)右(you)

，以(yi)電(dian)感(gan)為(wei)基(ji)礎(chu)的(de)高(gao)效(xiao)率(lv)交(jiao)換(huan)式(shi)降(jiang)壓(ya)轉(zhuan)換(huan)器(qi)是(shi)理(li)想(xiang)選(xuan)擇(ze)。至(zhi)於(yu)屏(ping)幕(mu)背(bei)光(guang)照(zhao)明(ming)所(suo)使(shi)用(yong)的(de)白(bai)光(guang)二(er)極(ji)管(guan)，其(qi)電(dian)源(yuan)可(ke)來(lai)自(zi)電(dian)荷(he)泵(beng)浦(pu)或(huo)電(dian)感(gan)式(shi)升(sheng)壓(ya)／降壓轉換器。

圖二 智能型手機電源方塊圖

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動態電壓調整（Dynamic Voltage Scaling）

從cong圖tu一yi可ke看kan出chu，電dian源yuan需xu求qiu最zui高gao的de兩liang顆ke零ling件jian是shi在zai射she頻pin單dan元yuan，分fen別bie是shi發fa射she機ji的de功gong率lv放fang大da器qi和he基ji頻pin處chu理li器qi。隨sui著zhe電dian話hua與yu基ji地di台tai之zhi間jian的de距ju離li不bu同tong，功gong率lv放fang大da器qi在zai通tong話hua過guo程cheng中zhong最zui多duo消xiao耗hao75 ％的總功耗，待命模式則隻有30％。采用非線性功率放大器的舊型GSM 電話發射機的典型工作效率約為50％，但是WCDMA 等較新標準卻同時需要振幅及相位調變，這隻有工作效率在25％至35％之間的線性放大器可以提供。除此之外
，CDMA2000 1x 手機的正常基頻處理器負載需求是在60 至120mA 範圍，因此提供最有效率的電源給功率放大器和處理器就顯得極為重要。

動態／可適性電壓調整技術（DVS/AVS）yugaozhengheduzujiansuoshiyongdefangshihenleisi，tahuibabihuiluxitongzhongdechuliqihewenyaqilianjiezaiyiqi

，bingzaiquebaoxitongzhengchanggongzuodeqingxingxia
，jiangshuzidianyuangongyingdeshuchudianyadongtaitiaozhengzhizuixiaozhi。gonglvfangdaqihuibeizuijiahua，shitazaizuidachuansonggonglvxiayongyouzuigaoxiaolv。youyujuedaduoshushoujidouzaijiditaifujingongzuo，shoujidewuxiandiangongnenghuizaiweichitongxunzhiliangdeqiantixia，jiangchuansonggonglvjiangzhizuidishuiping。danggonglvfangdaqizaijiaodidegonglvshuipingxiagongzuoshi
，tadexiaolvhuishoudaoyingxiang，cong(圖三)可以看出，利用動態電壓調整技術來調整功率放大器的電壓
，它的工作效率會增加10％至20％。

圖三 功率放大器效率

數字處理器的功耗正比於電壓平方
，因此中央處理器也能采用動態電壓調整技術;dangzhongyangchuliqijinrudaimingmoshihuoqitagongnengjingjianmoshi，tajiunengzaijiaodidepinlvpinlvxiagongzuo，cishikejiangchuliqidianyajiangdi，yibianjianshaogonghao

，tishenggongzuoxiaolv，yanchangdianchishouming。jiuyiOMAP1510 為例，假設它的電源是由TPS62200 供應
，並使用1 安培小時的3.6V 鋰離子電池輸入，其它特性包括：

• 睡眠模式（TPS62200 采用PFM 調變）未用動態電壓調整：Vout = 1.5 V @ 300 µA ;效率= 93％
• 正常工作模式（TPS62200 采用PWM 調變）：Vout = 1.5 V @ 100 mA ;效率 = 96％

假設此組件95％時間處於睡眠模式，5％時間處於正常工作模式，則從輸出功率與時間的關係圖可看出，將動態電壓調整技術用於睡眠模式
，電池壽命會最多延長9 個小時。

離散解決方案

圖四是利用離散組件實作的電源管理係統，電池電壓限製為3.3V。

圖四 利用離散組件實作的電源管理係統

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在這個解決方案中，就算鋰離子電池下降至3.3V 左右
，在100％負載周期模式下工作的高效率TPS62200降壓轉換器仍能提供3.3V 的I/O電壓。上述所有零件都采用SOT-23 封裝，除了bq24020 電池充電組件

、TPS61020 升壓轉換器以及TPS61042 白光二極管驅動組件之外，它們是采用3×3 平方厘米的QFN 封裝。TPS61040 和TPS61042 還內建上端FET 晶體管，每顆組件隻需要一個外接二極管。bq24020


、TPS622xx、TPS61020 和線性穩壓器組件全都內建FET 晶體管，功率放大器和中央處理器電源采用的動態電壓調整技術可以提高每顆零件的效率，進而協助降低功耗。

整合解決方案

最新製程技術使得工程師更容易結合、迅速修改以及／huoshiliyongxianyoudelisanzujiansheji，yibiantigongbutongzhenghechengdudebandaotixinpian，lirutongyongdeshuangtongdaojiaohuanshizhuanhuanqihedianyuanjuchibihengaoerzaoshenghendideshuangxindaoxianxingwenyaqi
、特殊應用白光二極管的電源供應以及行動電話、PDA heshuzixiangjideduodianyuanguanlijiejuefangan，zhexiechanpindouyikaishigongying。zhuanmenzhichizhongduanshebeidedianyuanzujianzehuineijiangezhongwaiwei
，qifanweicongxingdongdianhuadexianglingqihefengmingqidaoPDA 的通用I/O 接腳，例如圖四整合解決方案所使用的TPS65010 就是這類組件。

圖五整合式解決方案

在此解決方案中
，3.3V I/O 電源是由SEPIC 轉換器提供，它讓應用係統能充份利用鋰離子電池電力
，直到電池電壓降至最低水平（大約2.7V）。和離散解決方案一樣，穩壓器輸出也來自3.3V 輸入電源
，以便提高工作效率。TPS65010 采用48 隻接腳QFN 封裝，這些組件都內建FET 晶體管。TPS61130 SEPIC 轉換器采用4×4 平方厘米QFN 封裝，並且內建FET 晶體管
，最高達到90％以上效率，TPS5100 zeshisantongdaoshuchukongzhiqi
，zhuanmenyonglaitigongdianyuangeixianshiqi。gonglvfangdaqihezhongyangchuliqidianyuanshiyongdedongtaidianyatiaozhengjishukeyigaishanmeikelingjiandexiaolv，jinerxiezhujiangdigonghao。

離散或整合
？

如何在離散或整合解決方案之間做出抉擇？一般說來，整合組件的成本會低於同樣等級的多顆離散零件;除此之外，如同(圖六)的電路板布局所示
，相較於執行同樣功能的多顆離散零件，TPS65010 以及與其搭配的被動零件隻需較少的電路板空間


，這主要是因為離散零件之間需要額外空間來容納訊號線路。由於TPS65010 還包含原來由離散零件提供的其它功能，例如電源供應順序、振動器和二極管驅動組件，因此整合解決方案可以節省更多電路板麵積。

圖六TPS65010 與同等級離散解決方案的電路板布比較

整(zheng)合(he)組(zu)件(jian)過(guo)去(qu)主(zhu)要(yao)支(zhi)持(chi)特(te)殊(shu)應(ying)用(yong)，彈(dan)性(xing)也(ye)不(bu)是(shi)很(hen)高(gao)

，因(yin)此(ci)在(zai)設(she)計(ji)流(liu)程(cheng)後(hou)期(qi)，它(ta)們(men)就(jiu)無(wu)法(fa)再(zai)進(jin)行(xing)重(zhong)大(da)的(de)設(she)計(ji)變(bian)更(geng)。然(ran)而(er)新(xin)的(de)製(zhi)程(cheng)技(ji)術(shu)
，包(bao)括(kuo)支(zhi)持(chi)可(ke)程(cheng)序(xu)輸(shu)出(chu)電(dian)壓(ya)以(yi)及(ji)封(feng)裝(zhuang)後(hou)調(tiao)整(zheng)的(de)整(zheng)合(he)式(shi)EEPROM，卻使得工程師能以更低成本
，更簡單快速的對現有組件（也就是不同固定輸出電壓的組件）重複進行簡單修改。另一方麵
，整合組件的供貨商通常隻有一家，這可能迫使廠商必須采用離散解決方案。
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未來挑戰

消費者想要操作時間更長的智能型手機，新發展的半導體製程技術已能減少泄漏電流和阻抗（有時透過銅覆蓋層），使得FET 晶jing體ti管guan的de靜jing態tai電dian流liu更geng低di，導dao通tong阻zu抗kang也ye變bian得de更geng小xiao。然ran而er不bu同tong於yu持chi續xu進jin步bu中zhong的de半ban導dao體ti技ji術shu，電dian池chi技ji術shu卻que沒mei有you任ren何he重zhong大da進jin展zhan

，無wu法fa在zai不bu增zeng加jia電dian池chi體ti積ji的de情qing形xing下xia延yan長chang供gong電dian時shi間jian。

電容器技術的某些進展使得充電電池和電容器之間的界限日益模糊，許多可攜式產品已開始使用高能量超級電容器（super capacitor）

，做為消費者更換電池時的暫時電力來源;另外
，高能量暨高功率的超高電容器（ultra capacitor）hainengzaiduanshijianneitigonghendadianliu，rangdianchibubishunjiangongyingpangdadianli，keyiyanchangdianchideshiyongshijian。zhexiechaogaodianrongqihuizhenghezhidianchifengzhuangnei，bingzaixitongdianlixuqiubutaigaoshi，liyongweixiaodianliuchongdian。ranliaodianchijinlaishiremenhuati，danyouyuwaixingbaozhuangshangweibiaozhunhua，shideranliaodianchideguangfanyingyongshoudaoyingxiang，shangyehuaguochengyebutaishunli。ranliaodianchideshuchushunshixiangyingyehenzaogao，yincizhishaozaizuichujieduan，ranliaodianchizhihuizuoweiputongdianchidebuqiangzhuangzhi，wufawanquanqudaiputongdianchi。

xiaofeizhehaixiwangchanpindetijigengxiao
，gongnenggengjiaqiangda，chuangxindedianyuanguanlizujianshejiyijifengzhuanghezhichengjishudejinbudounengbangzhushixiancimubiao。riyijingmidezhichengjishukeyizhizaochuyuelaiyuexiaodeFET 晶體管，讓晶粒和封裝的體積更小，工作電壓更低，閘極電容更少

，使得晶體管的開關速度更快

對dui於yu以yi電dian感gan為wei基ji礎chu的de交jiao換huan式shi電dian源yuan供gong應ying
，更geng快kuai的de開kai關guan速su度du意yi味wei著zhe更geng小xiao的de電dian感gan。新xin封feng裝zhuang技ji術shu則ze能neng在zai更geng小xiao的de封feng裝zhuang中zhong容rong納na更geng多duo功gong能neng
，並bing且qie承cheng受shou更geng大da的de功gong耗hao
，例li如ru內nei建jianFET 開關的鋰離子電池線性充電組件bq24010 就采用3×3 平方厘米的QFN 封裝，它在普通室溫環境下，最高能承受1.5W 功耗。

要在較低的工作電壓下提供更強大功能
，電源管理單元和低噪聲布局的容忍要求通常也會變的更嚴格，例如係統若要求1.2V 電源的誤差小於±3%
，就表示輸出電壓變動幅度不能超過±36mV;相形之下
，使用3.3V 電源就表示在同樣的±3%誤差限製下，它能容忍的電壓變動高達±99mV。由於電源電壓不斷降低，未來幾年內對於誤差更小、電流更大
、效xiao率lv更geng高gao和he電dian磁ci幹gan擾rao極ji低di的de直zhi流liu電dian源yuan轉zhuan換huan器qi的de需xu求qiu將jiang會hui增zeng加jia。除chu此ci之zhi外wai
，隨sui著zhe封feng裝zhuang縮suo小xiao
，可ke供gong散san熱re的de麵mian積ji也ye會hui減jian少shao
，讓rang這zhe些xie高gao功gong耗hao組zu件jian的de熱re管guan理li繼ji續xu成cheng為wei困kun難nan挑tiao戰zhan。

整合的力量

benwenjieshaodedianyuanjiejuefanganshiyongbutongzhenghechengdudedianyuanzujian。babufenhuoquanbudemonidianyuanzujianhejipinchuliqidengshuzilingjianzhenghezaiyiqihuidailaixuduoyoudian，baokuojieshenggengduodedianlubanmianji，bingqiejiangdizongchengben。fuzadianzixitongdemeigebufendouyouzhebutongdexuqiu，zheshiguoqushixiangenggaojieshuzihemonilingjianzhenghedezhangaizhiyi，lirushuzijipindanyuanxuyaogaomiduzhichengyizhichishuzixunhaochuli
，monijipinhedianyuangongnengxuyaodianyagenggaodezujian;射頻單元
，特別是鎖相回路
，則需要最適合支持高頻操作的BiCMOS 組(zu)件(jian)。傳(chuan)統(tong)上(shang)，製(zhi)程(cheng)發(fa)展(zhan)是(shi)由(you)數(shu)字(zi)設(she)計(ji)人(ren)員(yuan)負(fu)責(ze)管(guan)理(li)，他(ta)們(men)通(tong)常(chang)隻(zhi)會(hui)推(tui)動(dong)高(gao)密(mi)度(du)製(zhi)程(cheng)發(fa)展(zhan)，電(dian)路(lu)若(ruo)需(xu)要(yao)高(gao)電(dian)壓(ya)組(zu)件(jian)，就(jiu)必(bi)須(xu)采(cai)用(yong)不(bu)同(tong)製(zhi)程(cheng)
，這(zhe)表(biao)示(shi)他(ta)們(men)需(xu)要(yao)獨(du)立(li)的(de)數(shu)字(zi)組(zu)件(jian)。半(ban)導(dao)體(ti)廠(chang)商(shang)不(bu)但(dan)開(kai)始(shi)發(fa)展(zhan)「最小閘極長度」更短的BiCMOS 製程，以便提供很高的組件密度和工作速度，還有更高電壓的汲極延伸型組件（drain extended devices），它們已用於更多的模擬和電源應用。包括電源管理在內的許多模擬和數字功能最後都會整合成單顆芯片。

結論

不bu同tong程cheng度du的de組zu件jian整zheng合he正zheng在zai簡jian化hua可ke攜xie式shi電dian源yuan設she計ji，尤you其qi是shi可ke攜xie式shi產chan品pin的de係xi統tong設she計ji人ren員yuan，他ta們men不bu必bi再zai擔dan心xin組zu件jian的de電dian源yuan需xu求qiu管guan理li，整zheng合he程cheng度du不bu同tong的de電dian源yuan管guan理li組zu件jian可ke以yi幫bang助zhu他ta們men讓rang電dian池chi提ti供gong最zui長chang供gong電dian時shi間jian，同tong時shi將jiang電dian路lu板ban麵mian積ji和he成cheng本ben減jian至zhi最zui少shao。