智能型手机电源系统设计

图六TPS65010与同等级离散解决方案的电路板布比较

整合组件过去主要支持特殊应用,弹性也不是很高,因此在设计流程后期,它们就无法再进行重大的设计变更。然而新的制程技术,包括支持可程序输出电压以及封装后调整的整合式EEPROM,却使得工程师能以更低成本,更简单快速的对现有组件（也就是不同固定输出电压的组件）重复进行简单修改。另一方面,整合组件的供货商通常只有一家,这可能迫使厂商必须采用离散解决方案。

未来挑战

消费者想要操作时间更长的智能型手机,新发展的半导体制程技术已能减少泄漏电流和阻抗（有时透过铜覆盖层）,使得FET晶体管的静态电流更低,导通阻抗也变得更小。然而不同于持续进步中的半导体技术,电池技术却没有任何重大进展,无法在不增加电池体积的情形下延长供电时间。

电容器技术的某些进展使得充电电池和电容器之间的界限日益模糊,许多可携式产品已开始使用高能量超级电容器（supercapacitor）,做为消费者更换电池时的暂时电力来源;另外,高能量暨高功率的超高电容器（ultracapacitor）还能在短时间内提供很大电流,让电池不必瞬间供应庞大电力,可以延长电池的使用时间。这些超高电容器会整合至电池封装内,并在系统电力需求不太高时,利用微小电流充电。

燃料电池近来是热门话题,但由于外形包装尚未标准化,使得燃料电池的广泛应用受到影响,商业化过程也不太顺利。燃料电池的输出瞬时响应也很糟糕,因此至少在最初阶段燃料电池只会做为普通电池的补强装置,无法取代普通电池。

消费者还希望产品的体积更小,功能更加强大,创新的电源管理组件设计以及封装和制程技术的进步都能帮助实现此目标。日益精密的制程技术可以制造出越来越小的FET晶体管,让晶粒和封装的体积更小,工作电压更低,闸极电容更少,使得晶体管的开关速度更快

—对于以电感为基础的交换式电源供应,更快的开关速度意味着更小的电感。新封装技术则能在更小的封装中容纳更多功能,并且承受更大的功耗,例如内建FET开关的锂离子电池线性充电组件bq24010就采用3×3平方厘米的QFN封装,它在普通室温环境下,最高能承受1.5W功耗。

要在较低的工作电压下提供更强大功能,电源管理单元和低噪声布局的容忍要求通常也会变的更严格,例如系统若要求1.2V电源的误差小于±3%,就表示输出电压变动幅度不能超过±36mV;相形之下,使用3.3V电源就表示在同样的±3%误差限制下,它能容忍的电压变动高达±99mV。由于电源电压不断降低,未来几年内对于误差更小、电流更大、效率更高和电磁干扰极低的直流电源转换器的需求将会增加。除此之外,随着封装缩小,可供散热的面积也会减少,让这些高功耗组件的热管理继续成为困难挑战。

整合的力量

本文介绍的电源解决方案使用不同整合程度的电源组件。把部份或全部的模拟电源组件和基频处理器等数字零件整合在一起会带来许多优点,包括节省更多的电路板面积,并且降低总成本。复杂电子系统的每个部份都有着不同的需求,这是过去实现更高阶数字和模拟零件整合的障碍之一,例如数字基频单元需要高密度制程以支持数字讯号处理,模拟基频和电源功能需要电压更高的组件;射频单元,特别是锁相回路,则需要最适合支持高频操作的BiCMOS组件。

传统上,制程发展是由数字设计人员负责管理,他们通常只会推动高密度制程发展,电路若需要高电压组件,就必须采用不同制程,这表示他们需要独立的数字组件。半导体厂商不但开始发展「最小闸极长度」更短的BiCMOS制程,以便提供很高的组件密度和工作速度,还有更高电压的汲极延伸型组件（drainextendeddevices）,它们已用于更多的模拟和电源应用。包括电源管理在内的许多模拟和数字功能最后都会整合成单颗芯片。

不同程度的组件整合正在简化可携式电源设计,尤其是可携式产品的系统设计人员,他们不必再担心组件的电源需求管理,整合程度不同的电源管理组件可以帮助他们让电池提供最长供电时间,同时将电路板面积和成本减至最少。