智能型手機(jī)電源系統(tǒng)設(shè)計

圖六TPS65010與同等級離散解決方案的電路板布比較

整合組件過去主要支持特殊應(yīng)用,彈性也不是很高,因此在設(shè)計流程后期,它們就無法再進(jìn)行重大的設(shè)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(diào)整的整合式EEPROM,卻使得工程師能以更低成本,更簡單快速的對現(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。

未來挑戰(zhàn)

消費(fèi)者想要操作時間更長的智能型手機(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,無法在不增加電池體積的情形下延長供電時間。

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電容器（supercapacitor）,做為消費(fèi)者更換電池時的暫時電力來源;另外,高能量暨高功率的超高電容器（ultracapacitor）還能在短時間內(nèi)提供很大電流,讓電池不必瞬間供應(yīng)龐大電力,可以延長電池的使用時間。這些超高電容器會整合至電池封裝內(nèi),并在系統(tǒng)電力需求不太高時,利用微小電流充電。

燃料電池近來是熱門話題,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響應(yīng)也很糟糕,因此至少在最初階段燃料電池只會做為普通電池的補(bǔ)強(qiáng)裝置,無法取代普通電池。

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高達(dá)±99mV。由于電源電壓不斷降低,未來幾年內(nèi)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(zhuǎn)換器的需求將會增加。除此之外,隨著封裝縮小,可供散熱的面積也會減少,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帶來許多優(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)計人員負(fù)責(zé)管理,他們通常只會推動高密度制程發(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)字功能最后都會整合成單顆芯片。

不同程度的組件整合正在簡化可攜式電源設(shè)計,尤其是可攜式產(chǎn)品的系統(tǒng)設(shè)計人員,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供電時間,同時將電路板面積和成本減至最少。