在科技进步的21世纪，日常生活中的每一个动作都与电息息相关。对于以「电」为动力的电子产品来说，电源管理已经理所当然成为其重要技术核心。今日技术与制程的进步带动了电源管理技术突飞猛进，而更先进的电源管理技术也同时带给电子产品更高的使用效率与更多实用功能。此外，日渐普及的可携式电子产品早已成为人们生活中的必需品，而为了满足可携式电子产品对于电源管理这张挑剔的大嘴，众家厂商更是无不卯足全力开发出体积更小、效率更高、成本更低以及功能更多的电源管理芯片。究竟今日的电子产品需求哪些电源管理的重要功能？而现今之电源管理产品又能提供哪些更Smart的功能给这些永不满足的电子产品呢？

根据Databeans的统计数据指出，全球电源管理市场自2004年至2010年之年复合成长率将为15％。而以市场占有量来看，娱乐用途的消费性电子产品、手机等通讯产品以及计算机都是电源管理主要的应用领域。换句话说，电源管理市场将一直处于成长状态，而其最大动能正是来自于消费性电子产品所需要的电源支持。这些终端产品将永远是支持电源成长的主要动力。

电源管理组件的复杂性，随着应用的多样化而大幅增加。随着电压与功能的不同，系统主板上同时存在十颗以上的电源管理芯片是很常见的事情。这些为数庞大的组件对于系统的设计与成本当然会造成一定的影响，因此设计人员在系统的开发上将面临更多的挑战。而本文也将从电源的供应、系统电源架构、可携式电源架构等几个面向，为读者介绍这些新一代的电源管理策略。

电源供应器

「电」一般可分为交流电（AC）与直流电（DC）两种，所谓交流电是指两个电极的电压极性与电流方向均不停互相交替，日常生活中所使用的电源便是交流电。而直流电则是指两个电极中之一方永远为正电位，另一方永远为负电位，电流的方向是由正电位流往负电位，在自然界中所产生的电（如静电、闪电等）都是直流电。

生活中使用的电压范围多为100～240V之交流电，再根据需要将其转换为所需之直流电源。在电子产品的电源管理上，常见之转换方式为交流电转直流电（AC/DC）与直流电转直流电（DC/DC）等两种型式，其中电源供应器便是属于AC/DC之转换方式。

AC/DC转换原理与特性@内文:AC/DC电源供应器依电路结构不同可分为线性（Linear）电源供应器与交换式（Switching）电源供应器两种。线性电源供应器主要是由变压器、二极管整流器和电容滤波器所组成，其优点如下：

其缺点为：

@内标

●转换效率低（约30～50％）；

●不可直流输入；

●隔离变压器体积大、重量重；

●输入电压变动范围小，仅±10V；

●保持时间（hold-up time）低，仅1ms。

为解决线性电源供应器的种种缺点，因此发展出的交换式电源供应器。交换式电源供应器之优点如下：

《图一 立锜科技营销处技术营销工程部项目副理陈俊聪》

其缺点为：

●设计电路上较复杂。

●漏电流小于0.75mA。TI亚洲区市场开发高效能模拟产品资深市场营销工程师林志彦指出，传统电源供应器由于采用线性设计，因此外型总是大且笨重。目前电源供应器的设计则是以体积小、重量轻及效率高的交换式设计为主。使用高频的交换式电源供应器可以改善线性电源供应器的缺点，尽管在设计上却比线性电源供应器复杂得多，但由于电源供应器轻薄化的趋势，也让交换式电源供应器备受重视。

在进一步提高其效率、缩小体积后，未来肯定也将会被更多产品所采用。

系统电源

当AC/DC的转换过程于电源供应器中完成之后，来到系统中，电源的转换方式则多数都是DC/DC的直流间转换形式。DC/DC转换主要也可分为线性（Linear Regulator）与交换式（Switching Regulator）等两种方式。线性转换仅用于降低输出电压，又称线性降压，而交换式转换则可进行升压（Boost）、降压（Buck）或者反相（Invert）等多种转换模式。

线性电源转换

《图二 安森美半导体台湾区总经理吕智仲》

安森美半导体台湾区总经理吕智仲

交换式电源转换

交换式电源转换有多种方式（VFM、VPM与Volt Pump），依其转换方式的不同，适用的领域也不相同，如升压或降压便可利用其交换电源导通频率，或相位配合电感的反电动势，以及电容的储存电量，来进行电压的升降转换，并可减少组件本身的电源转换消耗，因此其效率较高，但电路设计较为复杂且昂贵。此外，交换式电源转换又可分成电容式转换与电感式转换，电容式转换即为Charge Pump（电荷泵）。

交换式电源转换除了DC/DC Switching Controller外，另有DC/DC Switching Converter。一般Controller外部使用了三颗离散组件：P FET、N FET与电感。而Converter将其中之P FET、N FET改成内建，但仍需使用外接电感。此作法优点是更方便设计、更省空间，不过由于内建FET，也使得转换能力受到限制，其运作原理与特性虽与Controller相似，但效率却多半低于Controller。其供电能力较小，因此较适合便携设备使用。

线性电源转换与交换式电源转换除了转换方式不同之外，其所转换出之直流电源纯净度、转换效率、电路的复杂度与组件成本也各不相同。

交换式电源转换之转换效率最高，但难掌握其电源纯净度，由于涉及电感线圈的配置，因此其组件电路体积大，为让外接电感缩小，经常会将交换式电源转换之频率提高至MHz以上。而成本则以交换式电源转换为最高，线性电源转换最低。

可携式电源管理

不论是多媒体手机、MP3 Player、PMP、PDA或者数字相机等各种可携式产品，出门在外能够将音乐、电影、游戏或者整个办公室随身携带，感觉还真不赖。但糗的是，往往在最紧要关头，当享受影音游戏正过瘾时，屏幕会很煞风景的告知你：电快用完了！这时候，除了换电池、或者关机之外，一般人常做的一件事情，便是很用力地抱怨：这玩意儿耗电怎么这么凶？其实，当消费者手上这体型小巧的「玩意儿」在既可以听音乐、看影片、玩游戏、打电话...等各种极尽耗电之能事的功能集于一身，电池体积又因外型的限制而被压缩之后，实在很难去要求这便携设备之电力供应还要能够历久不衰。如果真的非要这么做的话，电源管理大概就是唯一可以用来减少电源耗损，并增长使用时间的唯一方式。

安森美半导体台湾区总经理吕智仲表示，新一代可携式产品由于所具备的多媒体功能例如影音编译码、压缩解压缩，更大尺寸的LCD屏幕，与配合相机功能的LED闪光灯等，让整个系统之用电量比起以往单一功能的装置硬是多出了好几倍。雪上加霜的是，为了避免让产品体积过于庞大，这些产品的电池体积必须在电池密度无法有效增加的情况之下，不断缩小。这些产品功能的不断增加，对于电力的需求已经超出了电池所能负担之范围。也因此，说这些设计人员正经历一场史无前例的技术挑战并不为过。也由于电池供电技术的进化远赶不上新功能的电力需求，因此设计人员必须在如此恶劣的情况之下，从整个系统中挤出更多的电来。也因此，产品设计必须更聪明地使用以及管理电源。有人说：可携式产品的设计，说穿了就是电源管理的设计。由此可知，电源管理对于可携式产品之重要性不由言表。

《图三 TI亚洲区市场开发高效能模拟产品资深市场营销工程师林志彦》

两大关键

可携式产品电源管里的两大关键，在于电源转换效率的提高与系统功耗的降低。要提高电源转换效率就必须使用合适的转换器，而降低系统功耗的重点则在于降低工作电流和静态电流的功耗，例如在布线设计时采用功耗较小的组件，以减少电路板上的工作电流负载，或者利用静态电流较小的组件、随环境光线强度自动调整背光亮度，或者让未使用的I/O信道或芯片进入休眠状态，例如在未使用耳机的状况下，让音效处理芯片进入休眠状况以减少功耗等方式。因此，电源管理可以说是同时处理电源转换问题和降低系统功耗这两大问题。此外，藉由整合以降低成本并缩小芯片体积，以及针对应用开发合适的电源管理组件，都是可携式电源管理的发展方向。

提高转换效率

目前消费者提倡能源的节约，也希望各种电子产品都能够尽量节省电力，因此在电池有限的供电能力之下，电源转换效率的提高成为设计人员最在乎的一件事。且电子产品如果电源效率不佳，就会伴随热的问题产生。因此利用交换式电源稳压器取代旧式的线性稳压器，以提高转换效率，并延长电池使用寿命已渐渐成为趋势。立锜科技营销处技术营销工程部项目副理陈俊聪表示，在电源转换组件的选择上，过去以线性的LDO转换器居多，但现在却多以效能较高的PWM交换式之DC/DC转换器为主。传统的线性LDO转换器除了效率较差之外，还会伴随发热的问题。可携式产品随着功能的增加，整体的功耗也显著提高，因此采用传统的LDO来解决电源问题已不适合，不仅电源转换效率较低，且使用时经常会发热发烫。另外，随着电子产品处理器的制程越来越先进也让其工作电压越来越低，传统LDO已经不敷使用，因此高效率的交换式DC/DC转换器渐渐成为现在可携式产品的电源管理主流组件，其不仅可以提高电源转换效率，也可解决生热的问题。

而由于交换式电源与线性电源在各存在不同之优缺点，因此需先为产品做好定位，在体积、效率、噪讯、价格与电池使用时间等方面做好取舍，才能选择对于系统最有利的电源管理方案。

除了更高效率的DC/DC转换器之外，运用嵌入式操作系统将电源管理优化也是提高效率的可行的方法之一。

降低系统功耗

降低系统功耗是增长可携式产品使用时间的另一项途径。其方法除了选择低功耗组件、降低系统电压之外，并可依据系统不同的工作状态进行调整，如系统若闲置便进入待机状态、或以最低的运算频率维持系统一定的工作状态等方式。以多媒体手机为例，其耗电最多的组件依次为彩色LCD显示器、喇叭、相机闪光灯、相机模块、通讯模块与MP3播放器等。其中光是LCD显示器、喇叭与闪光灯之功率消耗便超过300mW，而喇叭在扩音时最高输出功率甚至可高达2W。因此，为了延长电池使用时间，针对这些部份进行功耗的降低便势在必行。

《图四 依据产品定位决定采用线性或交换式设计》

LCD显示器

色彩鲜艳亮丽的彩色LCD显示器已经成为可携式产品人机接口的标准配备。而其亮度、清晰度、分辨率与彩度均较以往大幅提升的同时，耗电量也理所当然地增加，因此如何让LCD显示器能够聪明管理电源攸关了系统的续航能力。

LCD显示器的各部位零件都是电源管理可及之处，而耗电量最大的部份就是背光板。其亮度越高，所耗用之电量也越大，然而过高功耗的显示器在可携式产品上并不实用。目前LCD背光板以发光效率最高的白光LED最受青睐，这是由于LED背光板减少了如转换器等外部组件，并以PWM（Pulse Width Modulation）脉冲宽度调节方式降低组件电流，藉以减少功耗。

喇叭

供应喇叭音频放大输出的音频放大器（Amplifier）也是电源耗损之大户，输出功率最高可达750mW，使用扩音功能更高达2W。为了减少功耗进而提高电源使用效率，D类放大器也因运而生。D类放大器能够输出PWM讯号，其讯号包括音频讯号、PWM开关讯号和谐波，而非AB类放大器所输出的线性讯号。D类放大器比起AB类放大器更具有效率，因为输出MOSFET会从极高阻抗切换至极低阻抗，在作用区（active region）的时间仅数奈秒。D类放大器能将输出级的功耗降至最小；除此之外，LC滤波器或喇叭的电感性零件还会在每个周期中储存能量，确保开关功率不会在喇叭中耗损。D类放大器以其数字技术宣告终结以模拟技术为主的AB类放大器，原因无他，因为传统AB类放大器，其输出级的效率最高也只有70％，而D类放大器却可将效率提升至85～90％。

另外，藉由先进制程技术，例如使用深次微米的CMOS制程来降低处理器工作电压，也可达到减少芯片功耗的目的。深次微米CMOS制程可将CPU或DSP之工作电压降至1V以下，同时可提供更小的芯片体积，更适合可携式产品采用。利用制程的进步可达到更好的管理效能，而成本也不至于大幅增加。

结语

另外，藉由先进制程技术，例如使用深次微米的CMOS制程来降低处理器工作电压，也可达到减少芯片功耗的目的。深次微米CMOS制程可将CPU或DSP之工作电压降至1V以下，同时可提供更小的芯片体积，更适合可携式产品采用。利用制程的进步可达到更好的管理效能，而成本也不至于大幅增加。电源管理真是一门技术独到的功夫，也难怪即使在数字科技大军压境之下，纯模拟的电源管理技术依然屹立不摇。尽管新一代的数字电源技术正蠢蠢欲动准备鲸吞蚕食模拟电源领域，然而模拟电源技术上独特的不可取代性也让其地位无法撼动。此外，人们对于电子产品可靠性、安全性需求日益增加的趋势，也促使电路保护组件的迅速发展，预计往后在电源管理上也将成为一重点发展领域。

[2] D.A. Smolyansky, Time Domain Network Analysis:Getting S-parameters from TDR/T Measurements - Infiniband PlugFest, 2004＞

而随着消费性电子产品市场兴起，各种用电需求大增，电源管理技术肯定还有一番龙争虎斗，消费者也尽管拭目以待。如果说IT（Information Technology；信息技术）界要颁发最速黯淡奖，那么笔者可能会提名InfiniBand，理由是InfiniBand的规格及标准规范自1999年开始起草，2000年正式 发表，之后主力业者纷纷退出。体积向来是掌上型应用的关键要素，由于这类产品多半以电池来供应电力，故电池大小以及电池数目自然会对产品的体积与外形造成极大影响。InfiniBand：还会有多少人想起我？ 以单颗碱性电池做为可携式产品电源你可在「 太网络供电（PoE）为数据终端、无线接入点、网络摄影镜头或网络电话之类连接到以太网络埠的设备提供一种有效的电源解决方案。」一文中得到进一步的介绍。 电源管理芯片在以太网络供电中的应用在「电源管理，作为最早的半导体产品和技术，如今再次成为全球电子业永续发展的重要元素。 电源半导体技术随着微处理器对电源需求的持续增长而日渐广泛采用，微处理器已变得更 快、更小、功能更强大，同时对电压的波动也愈加敏感。」一文为你做了相关的评析。

自动化量测 抓住未来	电源技术随着微处理器对电源需求的持续增长而日渐广泛采用，微处理器已变得更快、更小、功能更强大，同时对电压的波动也愈加敏感。 立锜网站 TI网站