當(dāng)今科技所需求的手機(jī)電池除了要能夠長時(shí)間供應(yīng)穩(wěn)定電源電源外，體積小重量輕也是關(guān)鍵。縮小電路板面積、增長供電時(shí)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(dòng)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(jīng)過長時(shí)間的發(fā)展，今天的行動(dòng)電話已變得非常輕巧，除了電話功能，它們還會(huì)做許多事。新型3.xG 智能型手機(jī)把傳統(tǒng)的2G 行動(dòng)電話和多種其它功能結(jié)合在一起，包括PDA、數(shù)字相機(jī)、音樂播放機(jī)（MP3）以及全球定位系統(tǒng)（GPS）。如此多元的功能需要許多零件，其中絕大多數(shù)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(jí)到3G 視訊電話后，功率需求增加的估計(jì)值。

　　圖一功耗值

　　在此同時(shí)，消費(fèi)者卻想要更精巧的手機(jī)。本文介紹兩種電源管理系統(tǒng)，它們可以協(xié)助智能型手機(jī)設(shè)計(jì)人員在彼此沖突的目標(biāo)間取得平衡，例如將封裝減至最小，同時(shí)支持更大的功率需求;實(shí)現(xiàn)最佳效率，讓電池提供最長的使用時(shí)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(dòng)電話。

　　選擇電池

　　選擇充電電池是電源管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(shí)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(dòng)電話的多數(shù)功耗都來自于1.2V 和3.3V 電源，要讓交換式電源轉(zhuǎn)換器發(fā)揮最大工作效率，較有效的方法通常是從高電壓轉(zhuǎn)換至低電壓，而不是從低電壓轉(zhuǎn)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(shí)間，適當(dāng)?shù)?a target="_blank">電池管理和控制就顯得格外重要。電池管理包含三個(gè)部份：充電控制、電池監(jiān)視和電池保護(hù)。從使用外接導(dǎo)通組件的線性控制器開始，到內(nèi)建開關(guān)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(jìn)步。電池充電器必須處理500mA 到1500mA 范圍內(nèi)的電流，以便提供快速的充電周期時(shí)間。電池監(jiān)視和保護(hù)組件通常都與電池封裝在一起，電池監(jiān)視組件可以是簡(jiǎn)單的「電荷計(jì)量器」（coulomb counter），由中央處理器負(fù)責(zé)計(jì)算電池剩余電力;也可以是內(nèi)建微控制器的電池電力量測(cè)組件（gas gauge），由它透過DSP 與處理器之間的簡(jiǎn)單界面，直接提供剩余電力、剩余供電時(shí)間、電池電壓、溫度和平均電流量測(cè)值等資料。

　　電源拓樸

　　接著，設(shè)計(jì)工程師必須決定電源轉(zhuǎn)換組件的種類，它或許是以電感為基礎(chǔ)、并且內(nèi)建FET 開關(guān)的交換式電源轉(zhuǎn)換器、無電感的交換式電源轉(zhuǎn)換器（電荷泵浦）或是線性穩(wěn)壓器。這些轉(zhuǎn)換器各有其優(yōu)點(diǎn)。就效率而言，以電感為基礎(chǔ)的轉(zhuǎn)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(wěn)壓器。成本通常反比于效率，因此線性穩(wěn)壓器成本最低，然后是電荷泵浦，最后則是以電感為基礎(chǔ)的轉(zhuǎn)換器。線性穩(wěn)壓器沒有輸出漣波，電荷泵浦有一些輸出漣波，交換式穩(wěn)壓器的輸出漣波則在三者之間最高。就整個(gè)解決方案的體積來看，線性穩(wěn)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(wěn)壓器則需要電感器，因此其封裝體積會(huì)有很大差異。

　　無論DSP 或模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器等數(shù)字零件，或是電源管理系統(tǒng)等模擬零件，2G 電話幾乎不提供任何的功能整合，系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員在發(fā)展電源管理系統(tǒng)時(shí)，通常會(huì)以成本和體積為優(yōu)先考慮，而不是轉(zhuǎn)換效率。線性穩(wěn)壓器只能將輸入電壓轉(zhuǎn)換成更低的輸出電壓，因此電池電壓必須高于3.3V，此時(shí)可利用低電流或中電流的線性穩(wěn)壓器進(jìn)行電壓轉(zhuǎn)換，以便提供電力給至2.8V 范圍內(nèi)的其它電源需求。在3G 芯片組中，基頻處理器現(xiàn)已包含DSP、微處理器／微控制器、模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器和數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器，用來控制射頻訊號(hào)和音頻訊號(hào)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(shè)計(jì)人員需要效率高于線性穩(wěn)壓器的直流電源轉(zhuǎn)換器，以便提供更長的電池使用時(shí)間。為進(jìn)一步延長電池壽命，許多設(shè)計(jì)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(chǎn)生3.3V 電壓就變成一項(xiàng)挑戰(zhàn)。從表面上來看，設(shè)計(jì)人員若能繼續(xù)使用電池直到2.7V，并利用正電源降壓—升壓轉(zhuǎn)換器或是SEPIC 轉(zhuǎn)換器提供3.3V 電源，可攜式裝置的電池壽命就會(huì)大幅延長，但是根據(jù)（表一）針對(duì)600mAh 電池所做的簡(jiǎn)單分析可發(fā)現(xiàn)情形并非如此，因?yàn)闊o論是采用效率更高的降壓轉(zhuǎn)換器，并將電池使用到3.3V，或是采用SEPIC 之類的轉(zhuǎn)換器，并將電池電力完全用盡，這兩種方式的供電時(shí)間幾乎沒有任何區(qū)別。

　　表一 60mAh 電池分析

　　除此之外，無論是使用兩顆電感的SEPIC 轉(zhuǎn)換器，或是某些效率更高的新型正電源降壓—升壓轉(zhuǎn)換器，它們的成本都更高，因此在做整體評(píng)估時(shí)，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(zhuǎn)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(zhuǎn)換器提供3.3V 電源，整合式解決方案則采用SEPIC 轉(zhuǎn)換器。