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。縮小電路板面積、增長供電時間與減少成本該如何畢其功于一役？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。
早期的行動電話不是體積笨重龐大,就是必須受到汽車電池的束縛,但經過長時間的發展,今天的行動電話已變得非常輕巧,除了電話功能,它們還會做許多事。新型3.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）以及全球定位系統（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并不相同,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 視訊電話后,功率需求增加的估計值。
圖一 功耗值
在此同時,消費者卻想要更精巧的手機。本文介紹兩種電源管理系統,它們可以協助智能型手機設計人員在彼此沖突的目標間取得平衡,例如將封裝減至最小,同時支持更大的功率需求;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
選擇充電電池是電源管理系統設計的首要工作之一,鎳氫電池和鋰離子電池則是目前僅有的兩種實際選擇。鋰離子電池的單位體積蓄電量為270～300Wh/l,單位重量蓄電量為110～130Wh/kg,都高于鎳氫電池的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于鎳氫電池;另外,鋰離子電池的3.6V 工作電壓也高于鎳氫電池的1.2V。行動電話的多數功耗都來自于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制就顯得格外重要。電池管理包含三個部份：充電控制、電池監視和電池保護。從使用外接導通組件的線性控制器開始,到內建開關組件且效率更高的交換式控制器,充電控制組件已有長足進步。電池充電器必須處理500mA 到1500mA 范圍內的電流,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余電力;也可以是內建微控制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面,直接提供剩余電力、剩余供電時間、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、并且內建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）或是線性穩壓器。這些轉換器各有其優點。就效率而言,以電感為基礎的轉換器擁有最高的整體效率,其次是電荷泵浦,最后才是線性穩壓器。成本通常反比于效率,因此線性穩壓器成本最低,然后是電荷泵浦,最后則是以電感為基礎的轉換器。線性穩壓器沒有輸出漣波,電荷泵浦有一些輸出漣波,交換式穩壓器的輸出漣波則在三者之間最高。就整個解決方案的體積來看,線性穩壓器的體積最小,通常只需輸入和輸出電容,電荷泵浦除了輸入和輸出電容外,還需一顆或兩顆「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。
無論DSP 或模擬數字轉換器等數字零件,或是電源管理系統等模擬零件,2G 電話幾乎不提供任何的功能整合,系統設計人員在發展電源管理系統時,通常會以成本和體積為優先考慮,而不是轉換效率。線性穩壓器只能將輸入電壓轉換成更低的輸出電壓,因此電池電壓必須高于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 范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／微控制器、模擬數字轉換器和數字模擬轉換器,用來控制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 范圍;由于3.xG 電話的電流需求通常都超過2.G 電話,3.xG 設計人員需要效率高于線性穩壓器的直流電源轉換器,以便提供更長的電池使用時間。為進一步延長電池壽命,許多設計人員必須盡量利用鋰離子電池電力,直到其電壓降至最小值為止;在此過程中,如何產生3.3V 電壓就變成一項挑戰。從表面上來看,設計人員若能繼續使用電池直到2.7V,并利用正電源降壓—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并非如此,因為無論是采用效率更高的降壓轉換器,并將電池使用到3.3V,或是采用SEPIC 之類的轉換器,并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,只使用3.3V 以上的電池電力,然后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。
系統概述
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）就需要極低噪聲和很高電源拒斥比的電源,確保它們提供最高的傳送和接收效能,因此雖然線性穩壓器的效率不高,但由于它沒有輸出漣波,所以是這類電源供應的最佳選擇;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。由于DSP 和中央處理器的核心電壓已降至1V 左右,以電感為基礎的高效率交換式降壓轉換器是理想選擇。至于屏幕背光照明所使用的白光二極管,其電源可來自電荷泵浦或電感式升壓／降壓轉換器。
圖二 智能型手機電源方塊圖
動態電壓調整（Dynamic Voltage Scaling）
從圖一可看出,電源需求最高的兩顆零件是在射頻單元,分別是發射機的功率放大器和基頻處理器。隨著電話與基地臺之間的距離不同,功率放大器在通話過程中最多消耗75 ％的總功耗,待命模式則只有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,這只有工作效率在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 范圍,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）與高整合度組件所使用的方式很類似,它會把閉回路系統中的處理器和穩壓器連結在一起,并在確保系統正常工作的情形下,將數字電源供應的輸出電壓動態調整至最小值。功率放大器會被最佳化,使它在最大傳送功率下擁有最高效率。由于絕大多數手機都在基地臺附近工作,手機的無線電功能會在維持通訊質量的前題下,將傳送功率降至最低水平。當功率放大器在較低的功率水平下工作時,它的效率會受到影響,從(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