集成與靈活性

　　使用獨立充電組件BQ24032A讓‘熱最佳化局部集成’更為明顯。2Ah以上高容量電池的充電電流最高可達到1.5A。由于應用裝置在耗盡電力的電池透過此方式充電時仍須繼續工作，因此總電流會等于操作電流與充電電流之和，這將使充電組件因為外部電源與電池之間的電壓降而出現龐大功耗。‘熱最佳化局部集成’則將這項功能移到采用散熱最佳化封裝的獨立芯片，這樣就算出現很大的耗電也只會造成充電電流下降，而不會像完全集成式解決方案一樣導致過熱關機，或是因為降壓轉換器 (尤其是LDO) 的功耗而產生更多熱量。另外，只要使用獨立的充電組件，設計人員即可調整這項功能以適應同一平臺的不同機種，例如采用大型或小型電池，或者選擇是否提供USB充電功能。
 
圖5  60W ICE3BS03LJG演示板的傳導EMI圖

　　這種設計不會浪費電路板空間，解決方案的大小與完全集成式設計差不多。元件的位置則更有靈活性，這對形狀不規則的電路板很有幫助。設計人員還能將溫度很高的組件放在適當位置，并確保這些容易發燙的元件均勻分布在電路板上。

布局最佳化的分立解決方案

　　如果從完全集成到熱最佳化局部集成算是一種局部分解，我們當然能更進一步創造出完全由分立元件構成的解決方案。這類解決方案必然會有最多的元件，這不僅使元件清單和庫存管理更復雜，通常也會是最昂貴的架構。但盡管如此，這類解決方案仍有許多值得采用的理由。

　　我們的便攜式導航系統將以前面提到的BQ24032做為電池充電穩壓器，以TPS61061做為屏幕背光照明電源，處理器相關電源則由兩個降壓轉換器產生 (TPS62300)。分立解決方案必須采用晶圓芯片級封裝 (WCSP) 之類的先進微型封裝技術，才能將設計縮小至完全集成或熱最佳化局部集成解決方案的水平。由于封裝的體積和寄生阻抗都很小，這類設計可將開關頻率提高至3MHz以便使用小型芯片線圈和輸出電容。這類解決方案還能采用芯片級封裝的線性穩壓器，例如此處所用的TI TPS799xx組件。

　　只要采用最合適的微型封裝組件，這類設計就能將電路板面積縮小到高度或完全集成式解決方案的水平。

　　有兩種理由可能促使設計人員選擇分立解決方案。首先，許多電路板的形狀很不規則，尤其使用電池的便攜式產品最常遇到這種情形。它們有很多凹口來安裝電池、控制組件、天線或屏幕。日益流行的平面模塊則讓電路板參差不齊，有時甚至無法使用高度集成的解決方案。隨著電壓轉換器的開關頻率達到2MHz以上，無源元件的位置必須盡量靠近組件引腳以避免電路不穩定并降低電磁干擾。完全集成式解決方案對元件位置的限制很嚴苛，任何改變都會影響系統功能。這類電源管理方塊大都采用正方形或略似長方形的結構。

　　若采用分立解決方案，就算是很不規則的電路板也能實現功能完整的設計。使用分立設計的第二個理由是可將電磁干擾減至最小。導航系統的接收機靈敏度是非常重要的使用者考慮因素，必須在天線端提供良好的信噪比才能確保接收靈敏度。分立設計可以將潛在的噪聲源與干擾源安排在距離天線較遠的地方，同時將線性穩壓器或電池充電器等較不重要的功能放到靠近天線的位置。除此之外，我們也更容易在設計發生問題時更換特別重要的元件，而不必從頭修改整個設計。例如背光照明就是非常重要的功能，這是因為多數用來驅動白光LED的升壓轉換器都會泄漏電流，所以在某些情形下會產生電磁干擾。在完全集成式組件里，背光驅動器的電磁輻射是一項非常重要的特性，若發生問題就可能需要使用另一顆獨立的驅動組件，而對產品成本造成不利的影響。
  
圖6  分立解決方案利用不同的電源供應組件提供不同的電壓
 
未來展望

　　本文重點放在個人導航輔助系統 (PNA) 這種目前最常見的便攜式導航裝置。我們現在將開始考慮每一種做法的未來發展性。舉例來說，導航系統與便攜式多媒體應用的集成不僅是在意料之中，而且很有必要。MP3播放機的集成不需額外的電源管理組件，因此不用大幅修改平臺即可將此功能加入導航系統。視頻播放機的集成則完全不同，存儲媒體(多半是硬盤)通常需要升降壓轉換器來產生操作電壓。大型屏幕需要更多LED做為背光照明，故需更強大的電源轉換器。如果高畫質視頻應用也在規劃中，整個處理器電路有時就要徹底修改，因為它需要運算能力更強大的其它處理器單元，但這也會使總電流消耗大增。想在不使用汽車電源的情形下延長產品工作時間，電池的容量就必須增加。此時，整個系統比較像一臺包含導航等擴充功能的便攜式視頻播放機。這些概念還能用于便攜式游戲應用。

　　熱最佳化局部集成是這類匯聚系統 (convergent system) 的最佳解決方案，因為這種解決方案能將處理器相關功能的電源管理標準化，同時維持完整的外圍設計靈活性。匯聚系統的完全集成芯片常遇到內建電源轉換器不符實際需求的情形，熱最佳化局部集成解決方案則能避免這類問題，進而將系統成本最佳化。
 
圖7  分立解決方案的元件位置安排。顏色標示方式與圖3相同，所需電路板面積約為175平方毫米。設計的形狀會隨著電路板形狀而改變

結語

　　本文介紹的三種方法都能在不影響電路板面積的情形下完成設計工作。完全集成式解決方案適合不需靈活性的高產量應用，分立解決方案則有助于實現困難電路板布局并達到嚴苛的電磁兼容性要求。熱最佳化局部集成解決方案通常是前兩種做法的折衷，特別適合必須支持不同市場的模塊化設計。

　　特定環境下的最佳做法須視系統設計的主要需求而定。整體需求是由個別市場需要、技術可能性和商業環境等許多因素組合而成，因此各部門必須在概念階段密切合作才能得到最好的結果。幸而TI等大型半導體廠商已能提供種類廣泛的組件支持這些概念，并由受過電源管理技術專業訓練的應用工程師提供協助。