智能型手機電源系統設計

圖六TPS65010與同等級離散解決方案的電路板布比較

整合組件過(guò)去主要支持特殊應用,彈性也不是很高,因此在設計流程后期,它們就無(wú)法再進(jìn)行重大的設計變更。然而新的制程技術(shù),包括支持可程序輸出電壓以及封裝后調整的整合式EEPROM,卻使得工程師能以更低成本,更簡(jiǎn)單快速的對現有組件（也就是不同固定輸出電壓的組件）重復進(jìn)行簡(jiǎn)單修改。另一方面,整合組件的供貨商通常只有一家,這可能迫使廠(chǎng)商必須采用離散解決方案。

未來(lái)挑戰

消費者想要操作時(shí)間更長(cháng)的智能型手機,新發(fā)展的半導體制程技術(shù)已能減少泄漏電流和阻抗（有時(shí)透過(guò)銅覆蓋層）,使得FET晶體管的靜態(tài)電流更低,導通阻抗也變得更小。然而不同于持續進(jìn)步中的半導體技術(shù),電池技術(shù)卻沒(méi)有任何重大進(jìn)展,無(wú)法在不增加電池體積的情形下延長(cháng)供電時(shí)間。

電容器技術(shù)的某些進(jìn)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(chǎn)品已開(kāi)始使用高能量超級電容器（supercapacitor）,做為消費者更換電池時(shí)的暫時(shí)電力來(lái)源;另外,高能量暨高功率的超高電容器（ultracapacitor）還能在短時(shí)間內提供很大電流,讓電池不必瞬間供應龐大電力,可以延長(cháng)電池的使用時(shí)間。這些超高電容器會(huì )整合至電池封裝內,并在系統電力需求不太高時(shí),利用微小電流充電。

燃料電池近來(lái)是熱門(mén)話(huà)題,但由于外形包裝尚未標準化,使得燃料電池的廣泛應用受到影響,商業(yè)化過(guò)程也不太順利。燃料電池的輸出瞬時(shí)響應也很糟糕,因此至少在最初階段燃料電池只會(huì )做為普通電池的補強裝置,無(wú)法取代普通電池。

消費者還希望產(chǎn)品的體積更小,功能更加強大,創(chuàng )新的電源管理組件設計以及封裝和制程技術(shù)的進(jìn)步都能幫助實(shí)現此目標。日益精密的制程技術(shù)可以制造出越來(lái)越小的FET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(kāi)關(guān)速度更快

—對于以電感為基礎的交換式電源供應,更快的開(kāi)關(guān)速度意味著(zhù)更小的電感。新封裝技術(shù)則能在更小的封裝中容納更多功能,并且承受更大的功耗,例如內建FET開(kāi)關(guān)的鋰離子電池線(xiàn)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(huán)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(huì )變的更嚴格,例如系統若要求1.2V電源的誤差小于±3%,就表示輸出電壓變動(dòng)幅度不能超過(guò)±36mV;相形之下,使用3.3V電源就表示在同樣的±3%誤差限制下,它能容忍的電壓變動(dòng)高達±99mV。由于電源電壓不斷降低,未來(lái)幾年內對于誤差更小、電流更大、效率更高和電磁干擾極低的直流電源轉換器的需求將會(huì )增加。除此之外,隨著(zhù)封裝縮小,可供散熱的面積也會(huì )減少,讓這些高功耗組件的熱管理繼續成為困難挑戰。

整合的力量

本文介紹的電源解決方案使用不同整合程度的電源組件。把部份或全部的模擬電源組件和基頻處理器等數字零件整合在一起會(huì )帶來(lái)許多優(yōu)點(diǎn),包括節省更多的電路板面積,并且降低總成本。復雜電子系統的每個(gè)部份都有著(zhù)不同的需求,這是過(guò)去實(shí)現更高階數字和模擬零件整合的障礙之一,例如數字基頻單元需要高密度制程以支持數字訊號處理,模擬基頻和電源功能需要電壓更高的組件;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組件。

傳統上,制程發(fā)展是由數字設計人員負責管理,他們通常只會(huì )推動(dòng)高密度制程發(fā)展,電路若需要高電壓組件,就必須采用不同制程,這表示他們需要獨立的數字組件。半導體廠(chǎng)商不但開(kāi)始發(fā)展「最小閘極長(cháng)度」更短的BiCMOS制程,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（drainextendeddevices）,它們已用于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后都會(huì )整合成單顆芯片。

不同程度的組件整合正在簡(jiǎn)化可攜式電源設計,尤其是可攜式產(chǎn)品的系統設計人員,他們不必再擔心組件的電源需求管理,整合程度不同的電源管理組件可以幫助他們讓電池提供最長(cháng)供電時(shí)間,同時(shí)將電路板面積和成本減至最少。