智能型手機電源系統設計

當今科技所需求的手機電池除了要能夠長時間供應穩定電源外,體積小重量輕也是關鍵。縮小電路板面積、增長供電時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,但經過長時間的發展,今天的行動電話已變得非常輕巧,除了電話功能,它們還會做許多事。新型3.xG智能型手機把傳統的2G行動電話和多種其它功能結合在一起,包括PDA、數字相機、音樂播放機（MP3）以及全球定位系統（GPS）。如此多元的功能需要許多零件,其中絕大多數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語音電話升級到3G視訊電話后,功率需求增加的估計值。

圖一功耗值

在此同時,消費者卻想要更精巧的手機。本文介紹兩種電源管理系統,它們可以協助智能型手機設計人員在彼此沖突的目標間取得平衡,例如將封裝減至最小,同時支持更大的功率需求;實現最佳效率,讓電池提供最長的使用時間;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電話。

選擇電池

選擇充電電池是電源管理系統設計的首要工作之一,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。

行動電話的多數功耗都來自于1.2V和3.3V電源,要讓交換式電源轉換器發揮最大工作效率,較有效的方法通常是從高電壓轉換至低電壓,而不是從低電壓轉換至高電壓,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間,適當的電池管理和控制就顯得格外重要。電池管理包含三個部份：充電控制、電池監視和電池保護。從使用外接導通組件的線性控制器開始,到內建開關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步。電池充電器必須處理500mA到1500mA范圍內的電流,以便提供快速的充電周期時間。

電池監視和保護組件通常都與電池封裝在一起,電池監視組件可以是簡單的「電荷計量器」（coulombcounter）,由中央處理器負責計算電池剩余電力;也可以是內建微控制器的電池電力量測組件（gasgauge）,由它透過DSP與處理器之間的簡單界面,直接提供剩余電力、剩余供電時間、電池電壓、溫度和平均電流量測值等資料。

電源拓樸

接著,設計工程師必須決定電源轉換組件的種類,它或許是以電感為基礎、并且內建FET開關的交換式電源轉換器、無電感的交換式電源轉換器（電荷泵浦）或是線性穩壓器。這些轉換器各有其優點。就效率而言,以電感為基礎的轉換器擁有最高的整體效率,其次是電荷泵浦,最后才是線性穩壓器。成本通常反比于效率,因此線性穩壓器成本最低,然后是電荷泵浦,最后則是以電感為基礎的轉換器。