整合與分布式智能成為電源系統設計的主要趨勢

By Dave Freeman
Application Engineering Manager, Power Management Products
Texas Instruments

最近幾年的電源供應設計和電源管理發展趨勢已經反映出整個電子產業都能見到的許多動態，例如零件整合度日益增加、利用數字組件來加強或取代傳統模擬電路的做法更加普遍、以及在前兩個趨勢影響下，越來越多智能型功能開始分布至整個電源系統；毫無疑問的，這些力量將在未來的幾年內繼續影響電源零件。此外，某些特殊應用的電源系統設計技巧也已出現，它們也將塑造電源零件的本質和功能。

在這些特殊應用的眾多發展趨勢當中，最主要的趨勢是把行動電話設計技巧和方法應用到其它行動通訊、運算和消費性電子裝置的電源系統，例如PDA、數字相機、混合式智能型手機和其它產品。

電源系統單芯片 (power-system-on-a-chip) 的整合

無論就整個電子產業而言，或是針對行動應用來說，零件整合長期以來就是它們的重要支柱之一；最值得注意的是，行動電話的電源供應設計也是遵循這個趨勢，朝向更高階的芯片整合度發展。

行動電話的電源系統曾經是由許多離散模擬零件組成，但這樣的日子已一去不回。最初的功能整合在于盡量縮小這些離散式電源零件的體積，隨后則是把它們整合至一顆或少數幾顆電源管理組件。現在，這些電源零件開始加入越來越多的功能和智能，它們的應用范圍也逐漸跨出行動電話產業，進入各種不同類型的掌上型裝置。

芯片整合的理由對于整個電子產業都相同：把更多功能整合至更少零件后，產品成本即可大幅下降，因為制造這些產品所需的組件數目和電路板面積都會減少、產品的組裝和制造程序會更簡單、更高的系統可靠性還能縮短測試時間。此外，更高階的芯片整合度也能提高發展流程效率，進而加快制造商的新產品上市時間；由于他們能更快在市場上推出新產品，芯片整合度確保產品上市時擁有極大競爭力。

TI提供的TPS65010電源組件就是高整合度、高功能電源系統單芯片 (power-system-on-a-chip) 的最新范例。這顆組件專門支持各種行動應用的電源管理需求，包括PDA、數字相機、多媒體智能型手機和其它產品；無論是任何系統，只要它們使用單顆鋰離子電池或是鋰聚合物電池，并且包含多組電源線路和多顆先進應用處理器，TPS65010就能做為它們的電源系統。

TPS65010整合了電源系統的所有重要建構方塊，包括用于交換式電源轉換和電池充電的整合式FET晶體管；TPS65010還整合復雜先進的電池和電源管理智能，滿足今日高效能、功耗處理器所需，例如TI提供的OMAP處理器。TPS65010體積很小，最多只需要離散式解決方案的1/3電路板面積，但卻內建兩個同步直流降壓轉換器和整合式FET晶體管、提供系統電源的1 A轉換器以及提供處理器核心電源的400 mA轉換器；在最大工作模式下，TPS65010可以達到97%的轉換效率。

TPS65010還整合其它多種功能，它們是行動電話應用以外的其它電源管理組件比較少看到的，例如這顆零件包含TI最新的線性電池充電器技術和1 A充電FET晶體管，使得這顆零件可以使用來自USB連接埠或者外接式電源供應器的電源。TPS65010內建智能型功能，可以自動選擇USB或電源供應器做為充電電源；這顆組件所整合的充電器技術還提供高精準度的穩流和穩壓能力、充電狀態顯示、充電終止和安全定時器。

數字零件改變電源系統設計

TPS65010利用它所擁有的高階整合度以及更強大功能，證明電源系統設計為什么正在轉向數字技術。當數字電路加入電源系統后，更多的智能即可內建至電源系統，進而減少系統主機處理器的工作負擔，使它能夠執行對于系統成敗更重要的工作。透過這樣的方式，數字加強型電源供應就成為最佳化的系統外圍，它可以連接至操作系統，以便提供監督和控制功能。

此外，數字組件的延展性也優于模擬組件，因此隨著數字制程越來越精密，數字電源芯片也會變得更小，使它們所需的電路板面積隨之減少。若只利用模擬技術來實作電源供應的組態設定和監督，電路通常會變得很復雜，閑置電源的功耗也更大。體積較小的數字電源組件則能提供多種工作模式，減少電源子系統的功耗，這表示電源管理系統只會消耗更少的系統電源，使得更多電力能夠提供給系統使用。

某些電源系統已開始從模擬轉向數字，受到這個趨勢影響，電源系統設計人員必須掌握新的設計技巧；最后，這個轉變過程會迫使電源系統設計人員以數字方式思考，并對操作系統有更深入的了解。

朝向數字電源的趨勢已產生多種效果，行動通訊系統處理器與電源子系統的互動方式就是個例子；過去，當電源子系統還不是那么先進，并且主要包含模擬零件時，基頻處理器必須透過不同接腳，才能把基本的開機／關機命令送給電源子系統。隨著更多數字技術用于電源組件，并使它們變得更聰明，基頻處理器和數字電源管理組件就能以更復雜的信息和命令相互溝通。要讓這樣的芯片對芯片互動達到可接受的效能水準，處理器和數字電源管理組件之間就需要更先進的界面，例如I²C™就是適合此用途、而且功能更強健可靠的界面之一。

在主機處理器和電源系統之間使用強健可靠界面的影響之一，是電源系統設計人員現在必須學習如何利用完整復雜的界面，而不僅是簡單的開機和關機線路。某些電源系統設計人員正在第一次學習如何管理界面，使得電源管理組件能和主機處理器所執行的操作系統溝通；在許多情形下，這牽涉到學習新的程序設計工具和語言 - 當電源系統的絕大多數零件是模擬組件時，設計人員并不需要使用這些工具或語言。

把智能分布至整個電源系統

隨著越來越多智能分布至整個電源系統，也使得電源系統更需要先進的功能界面 - 特別是在處理器和電源管理組件之間，對于這類界面的需求更為明顯。這個功能界面必須包含所有子系統的電源管理功能，例如電池充電和監測。除了發展實體界面之外，系統還需要一套協議來支持各種子系統，而且這個協議不能帶來不必要的復雜性。

在今日的筆記型計算機中，電池管理單元會使用類似于I²C™界面的SMBus界面；這個界面的應用正在擴大，把更多電源子系統納入支持范圍。為電池管理子系統增加功能界面，充電子系統和電源管理功能之間的合作將更有效率。系統主機處理器過去必須盡可能監測電池電力，同時管理整個充電程序，現在隨著更多智能分布于整個電源系統，電源管理組件可與強健可靠的電池電力量測組件以及各種電池充電零件密切合作。

TI新推出的bqJUNIOR™系列 (bq265xx) 就是很好的例子，它說明隨著更多數字技術用于電源系統，智能也將開始分布至整個電源系統；bqJUNIOR證明智能已開始出現在許多行動應用的電池組和充電子系統，例如使用單顆鋰離子電池或是鋰聚合物電池的數字相機、PDA和行動電話。

電池監測功能最初是透過少數幾顆比較器來提供，它們連接至顯示屏幕的指示計，顯示電池剩余電力。隨后廠商開始把模擬數字轉換器嵌入系統的基頻處理器，使它能監測電池的電力狀態，最新發展則是在組件中加入智能型電池管理子系統，bqJUNIOR就是采取這樣的做法。

bqJUNIOR不同于其它簡單的電池監測零件，它是完全整合式電池電力量測組件，內建處理器可以計算電池剩余電力以及這些電力所能提供的系統運行時間。bqJUNIOR利用電壓偏移值很小的整合式電荷計數轉換器 (coulomb counting converter) 來量測電池的充電及放電電流，精準度可達到百分之一，它還內建模擬數字轉換器，可用來量測電壓和溫度值。bqJUNIOR的內建處理器可以根據這些量測結果，利用特定算法來準確計算電池的剩余電力；在此之前，只有在筆記型計算機的系統層次，才會提供這種程度的電池管理功能。

bqJUNIOR電池電力量測組件的功耗極低，它的工作電流少于100 mA，還提供三種待命功耗模式；bqJUNIOR可以進入這些待命功耗模式，以便在系統處于閑置狀態時，為系統節省更多的電池電力。bqJUNIOR其它規格還包括：偏移電壓很小的轉換器，可以準確監測充電及放電電流；內建時脈功能，可減少系統的芯片數目；整合式EEPROM內存，用來設定與應用相關的特定功能；以及可程序I/O連接端口。

由于bqJUNIOR可以搜集它所需要的全部信息，又能執行所有必要計算，因此工程師不必為了提供這些功能，而針對系統主機處理器發展相關算法，這能減少產品的研發時間和成本。主機處理器，例如TI的OMAP1710應用處理器、OMAP750整合式通訊及應用處理器或是OMAP5910嵌入式應處理器，都能使用單線 (single-wire) 通訊端口和HDQ協議與bqJUNIOR互動，并且取得它們所需的電源信息。

bqJUNIOR之類的組件可將智能分布至整個電源系統，這能帶來更有效以及更高效率的應用系統，進而增加使用者的滿意度。最新的電池充電技術需要更強大的智能，以便迅速完成電池充電，協助延長電池的供電時間，這也是分布式智能帶來的好處之一。

使用單顆鋰離子電池的行動系統制造商已了解，當電池達到滿電位容量 (full capacity) 之后，繼續充電反而會減少電池在滿電位所能儲存的電力，這會對使用者滿意度造成不良影響。舉例來說，使用者為確保行動電話的電力飽滿，當他們坐在座位上時，常會把手機放在充電基座上面；不幸的是，這種做法不但無法增加行動電話的待機時間，使用者還可能發現它們的待機時間越來越短，因為他已在不知不覺中減少了電池容量，原因就是他一直讓電池處于非常高的充電狀態。對于內置電池的應用，這種現象特別容易造成困擾，因為它們的電池很不容易更換。

藉由將智能分布至電池充電程序，這個問題即可避免。智能型電源管理系統不會將電池充電至它的最大容量 (maximum capacity)，而是監測電池的電力，等到電力使用量達到某個程度時，才開始對電池充電。充電程序結束后，智能型電源管理系統會等待電力再度下降，當電力減少至另一個默認值時，充電程序就會重新恢復。這種方式使得充電水準達到滿電位容量附近的狹小范圍內，避免電池因為長時間處于最大充電狀態而受到損壞。

不但如此，包含分布式智能的未來電源子系統還會提供更強大的適應性和彈性，進而減少整個系統的功耗；舉例來說，未來的智能型交換式電源子系統將能夠預測它們的操作情形，只要根據特定的電源使用模式，這些電源系統就知道如何迅速做出反應，甚至在系統需求出現之前，就先調整自己的操作模式以配合這些需求。這種技術能夠延長系統的待命和操作時間，并對使用者的要求和命令更快做出反應，進而降低功耗，提升使用者的滿意度。

擴大行動電話電源技術的應用范圍

電源系統設計還有另一項主要趨勢，就是把行動電話的設計技巧及作業方法帶給其它的可攜式應用。許多系統會和手機匯聚在一起，PDA就是個例子，這類系統很適合采用行動通訊手機率先發展的電源方法；除此之外，還有其它看起來并不相關的應用，例如數字相機，也開始采用同樣的創新電源功能。

我們也可以把行動電話用于背光照明及彩色屏幕的多種電源技術轉移至PDA和數字相機應用，這是擴大行動電話電源技術應用范圍的一個明顯例子。TI新推出兩顆高頻率白光LED驅動組件TPS61042和TPS61045，它們是可調整式液晶顯示器的升壓轉換組件，很適合用于行動電話、PDA或數字相機，為它們的小型全彩屏幕提供更良好的高階繪圖和影像畫質。

這兩顆組件結合在一起，就能支持任何種類的可攜式應用，協助它們控制彩色液晶屏幕亮度，同時加強影像、繪圖和文字的顯示畫質。TPS61042以及TPS61045都能提供85%轉換效率，它們還擁有1 MHz的很高開關頻率，這能大幅減少所需的外部零件數目。

TPS61042是一顆高頻率白光LED驅動器，提供1.8 V至6 V的輸入電源范圍，輸出電壓最高可達28 V，并能以固定電流推動八顆LED。TPS61042可透過外接感測電阻來設定LED電流，它還包含LED亮度控制接腳，只要施加100 Hz至50 kHz范圍的脈沖寬度調變訊號，即能調整LED亮度。這只控制接腳還可以將TPS61042禁能，切斷它與LED的聯機，避免關機過程發生電流泄漏現象。另外，TPS61042，也可利用模擬訊號控制亮度。

TPS61045是專門用來提供液晶顯示器偏壓的可調整式升壓轉換組件，不需外接任何調整零件，就能精確控制小型和中型液晶顯示器的對比值。這顆轉換器提供最高28 V的可設定式輸出電壓和真正的關機功能，可將負載與輸入電源完全切斷，為顯示器提供開機和關機順序的控制能力。

行動電話還帶動另一個發展趨勢：它可以使用多種不同電源對電池進行充電，這項功能目前也為其它應用所采用。舉例來說，新型電源管理零件可以選擇USB連接端口或是外接式電源供應器做為行動電話、數字相機或PDA的電池充電來源，例如TI電池充電組件系列bqTINYTM (bq2401x, bq2402x) 的最新產品就能隨著系統電源的不同，自動選擇適當電源做為電池充電來源；在空間有限的可攜式應用中，這顆新組件為使用者提供更多的系統充電選項，確保使用者能對產品更加滿意。

bqTINY-II是TI最新推出的電池充電組件，它為電源系統設計人員帶來一套整合式解決方案，提供自動電源選擇、功率FET和電流傳感器、高精準度的穩流和穩壓能力、充電狀態顯示和充電中止功能 - 全部整合至單顆組件。

當bqTINY-II透過USB連接至電源時，它可以在兩種預設的充電速率中選擇其一，分別是100 mA和500 mA。若將外接式電源供應器連接至bqTINY-II，這顆組件就會透過它所內建的功率FET晶體管，以1 A速率對電池進行充電。bqTINY-II還包含整合式電流傳感器，它的電流值還能設定，使工程師享有更大設計彈性，不再需要體積龐大的外接式感測電阻。

bqTINY-II采用整合式逆向電流阻隔 (reverse-blocking) 保護機制，可以防止電池未接直流供應電源時發生漏電現象，其它整合功能還包括穩流和穩壓、預先充電和快速充電階段的安全定時器、可以提供給LED或是微控制器使用的充電狀態輸出信號以及溫度感測功能。bqTINY-II的智能在于它的操作算法能夠縮短充電時間、使電池的充電量達到最大值以及保護電池不受高溫或電壓傷害。當電池達到滿電位容量，bqTINY-II會將充電程序暫停，等到電池電壓回落到某個臨界值，這顆組件才重新開始充電程序，使電池的電力水準回到事先定義的滿電位容量。

bqTINY-II支持三階段的充電程序，包括預先充電調節階段、定電流充電階段以及許多設備制造商都要求的高精準度固定電壓充電階段。bqTINY-II的功耗極低；事實上，當系統未連接至這兩種電源時，bqTINY-II就會進入低功耗睡眠模式，它此時只會從電池汲取非常少的電力。

分布式數字智能

數字芯片技術的許多優點正迅速獲得行動裝置的電源系統所采用，數字技術也開始取代電源系統設計中常見的模擬零件，而在造成這股風潮的諸多原因當中，最重要的就是數字技術能提供更高階的芯片整合度。隨著數字組件成為電源系統的主要零件，新的機會也開始出現，可將數字智能分布至整個電源系統，進而改善電源使用率、降低功耗和提升整個主機系統的作業能力。就許多方面而言，行動電話市場在先進數字電源技術的實作確實居于領先地位，但現在包括PDA、數字相機和行動網絡家電在內，許多其它應用也開始采用行動電話率先探索的電源系統創新功能，這會讓電源供應從獨立電路變成系統外圍，并與操作系統結合在一起，使得系統可用電源能夠發揮它們的最大效益。