智能型手機(jī)電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)

圖六TPS65010與同等級(jí)離散解決方案的電路板布比較

整合組件過去主要支持特殊應(yīng)用,彈性也不是很高,因此在設(shè)計(jì)流程后期,它們就無(wú)法再進(jìn)行重大的設(shè)計(jì)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(diào)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(duì)現(xiàn)有組件（也就是不同固定輸出電壓的組件）重復(fù)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,這可能迫使廠商必須采用離散解決方案。

未來(lái)挑戰(zhàn)

消費(fèi)者想要操作時(shí)間更長(zhǎng)的智能型手機(jī),新發(fā)展的半導(dǎo)體制程技術(shù)已能減少泄漏電流和阻抗（有時(shí)透過銅覆蓋層）,使得FET晶體管的靜態(tài)電流更低,導(dǎo)通阻抗也變得更小。然而不同于持續(xù)進(jìn)步中的半導(dǎo)體技術(shù),電池技術(shù)卻沒有任何重大進(jìn)展,無(wú)法在不增加電池體積的情形下延長(zhǎng)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)品已開始使用高能量超級(jí)電容器（supercapacitor）,做為消費(fèi)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(nèi)提供很大電流,讓電池不必瞬間供應(yīng)龐大電力,可以延長(zhǎng)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(nèi),并在系統(tǒng)電力需求不太高時(shí),利用微小電流充電。

燃料電池近來(lái)是熱門話題,但由于外形包裝尚未標(biāo)準(zhǔn)化,使得燃料電池的廣泛應(yīng)用受到影響,商業(yè)化過程也不太順利。燃料電池的輸出瞬時(shí)響應(yīng)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(bǔ)強(qiáng)裝置,無(wú)法取代普通電池。

消費(fèi)者還希望產(chǎn)品的體積更小,功能更加強(qiáng)大,創(chuàng)新的電源管理組件設(shè)計(jì)以及封裝和制程技術(shù)的進(jìn)步都能幫助實(shí)現(xiàn)此目標(biāo)。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,使得晶體管的開關(guān)速度更快

—對(duì)于以電感為基礎(chǔ)的交換式電源供應(yīng),更快的開關(guān)速度意味著更小的電感。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(nèi)建FET開關(guān)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(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(qiáng)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(yán)格,例如系統(tǒng)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±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(dá)±99mV。由于電源電壓不斷降低,未來(lái)幾年內(nèi)對(duì)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(zhuǎn)換器的需求將會(huì)增加。除此之外,隨著封裝縮小,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(xù)成為困難挑戰(zhàn)。

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(shù)字零件整合在一起會(huì)帶來(lái)許多優(yōu)點(diǎn),包括節(jié)省更多的電路板面積,并且降低總成本。復(fù)雜電子系統(tǒng)的每個(gè)部份都有著不同的需求,這是過去實(shí)現(xiàn)更高階數(shù)字和模擬零件整合的障礙之一,例如數(shù)字基頻單元需要高密度制程以支持?jǐn)?shù)字訊號(hào)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(tǒng)上,制程發(fā)展是由數(shù)字設(shè)計(jì)人員負(fù)責(zé)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(dú)立的數(shù)字組件。半導(dǎo)體廠商不但開始發(fā)展「最小閘極長(zhǎng)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(yīng)用。包括電源管理在內(nèi)的許多模擬和數(shù)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(shè)計(jì),尤其是可攜式產(chǎn)品的系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員,他們不必再擔(dān)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(zhǎng)供電時(shí)間,同時(shí)將電路板面積和成本減至最少。