高速的切换频率

在DC-DC converter中，切换频率fs与电感L、电容C、输出涟波ΔV0在连续导通模式（Continuous Conduction Mode）下有以下关系：

《公式一》

其中D为额定导通周期、TS＝1/fs、R为负载电阻。设计上输出涟波会有个固定值，通常是负载IC的VDD的5％或是20mV之类的。从公式上可以看出当频率增加时可以减小输出涟波，尤其是最常用的buck电路更有平方比的下降。增加切换频率还有另一个好处，在相同的输出涟波下可以让被动组件L与C的值减小，这也意味者在PCB上可以用更小的L、C。虽然高速的切换频率一样也可以用在标准型笔电上，但因为功率大就必需使用大容量的Power MOSFET来当开关，大容量的Power MOSFET切换损失远大于小容量的Power MOSFET，所以这在小笔电上有着特别的优势，因为小笔电本身耗电量相对标准型的笔电低很多，这也让切换损失相对低很多。这个想法是相当有用的，甚至当切换频率可以操做在2Mhz以上时，MLCC的电容都有可能使用，这时不但可以大大减小PCB的面积、减少发热、可靠度亦有所提升。

低电池电压与低adaptor电压

从公式四可以看出，低切换损失与输入电压的平方成正比，于是从19降至7V有36.84％的电压降，损失可以降至原本的13.57％，尤其在高速切换频率下这样的策略可以让切换损失降低。如图一所示，一般都可以增加3～5％的效率，换言之一个原本6小时的使用时间可以增加10分钟到18分钟。

《公式四》

从公式四可以看出，低切换损失与输入电压的平方成正比，于是从19降至7V有36.84％的电压降，损失可以降至原本的13.57％，尤其在高速切换频率下这样的策略可以让切换损失降低。如图一所示，一般都可以增加3～5％的效率，换言之一个原本6小时的使用时间可以增加10分钟到18分钟。这个想法在降压转换器（buck converter）输入电压在7～3V时，降低输入电压就只有在轻载与尖峰负载（peak efficiency）有效果，这是因为当降压转换器的duty cycle大约在30％以上变化时，导通损失已经占损耗的大部份，切换损失就显的不重要。由此可见透过降低电池电压与低adaptor电压在降低切换损失有帮助，尤其在小笔电这种低功耗的应用时因为导通损失相对于切换损失比例较低，并且更可以发挥。

目前也有些产品已经把adaptor电压降到12V与使用2串2并的电池组态，这比标准型笔电的4串或3串组态以降低了许多电压。

《图一 Intersil ISL62881/ISL62881B efficiency.》

LED背光源的使用此外，CCFL含汞有环保的疑虑，且LED的发光效率已经可以达到CCFL甚至超越的程度。屏幕的用电占小笔电的整体耗电比例不小，能用高效率的背光是可以提升使用时间的，像TPS61881、ISL97635、MAX17061等与国内很多家电源厂商都有推出产品可供选择。

数字电源技术

数字电源技术有个很大的好处是可以整合离散的组件，使得BOM表数目减少，并且有可程序化的特性，不但可以方便设计甚至还可以达到远程遥控。尤其当系统提供复杂的控制状态来达到严格的省电要求（比如说Dynamic Voltage frequency and scaling、ACPI），又要透过SMBus/PMBus或VRM协议时，数字电源技术就是最佳解决方法。现行的数字电源有两种方向，一是控制回路本是数字控制，另一种是控制回路是模拟控制但有数字接口可与系统直接沟通。有数字接口的电源IC跟原本的模拟电源IC仅差在数字接口所以是没办法整合太多离散组件，但有着模拟电路所有的优点，这两种方式各有优点，但趋势应该是朝全数字前进。DVFS技术是目前可让数字电路降低损耗又不减少效能的一个重要方法。

《公式五》

由公式五可知数字电路的功率损耗与速度fS成正比，也与VDD的平方成正比。所以透过系统的控制，在电源IC有可变的输出下可以让整个损耗降低。可程序的特性也让数字电源有很高的弹性，比如说可以调整5V到0.8V固定输出电压输出，还可以调整从100kHz～1MHz不同的切换频率，也可随输出选择不同的Power MOS，而这些所付出的代价仅为用计算机改变IC中的可程序化内存，甚至动态的调整都没问题，IC厂则只要事先把各种状况写好就可让设计者自由选择。数字电源在降低静态损失上也是相当出色的，可以规划出各种不同的PFM mode、standby mode或是sleep mode。虽然说小笔电在一般的使用上都会在不用的时候进行充电，或是直接使用adaptor工作，但是一个可以待机5天的小笔电仍然是很让人期待的。

多输出电源的整合

一般行动型的消费产品内部的电源大致上可分为5V、3.3V、sub 3V这些范围，如手机、相机、数字相框这些产品已经可以用高整合性的电源IC来当电源，但是在笔记本电脑中还是需要一些努力。在小笔电中，一般来说会有CPU/North Bridge、South Bridge、USB、HDD、DDR、Audio、Ethernet、wireless这些负载是需要电源IC提供不同的电压。即使有各种不同的功能，不过还是脱离不了5V、3.3V、sub 3V这些范围，由于功能少、面积小、耗电也少小笔电很适合把电源整合在一起。由于耗电少，这表示IR的压降也少，由于面积小，负载离电源IC不会太远，就算负载真的离电源IC远一点也可以透过Voltage sense补回来。功能少也就是对应着负载样式不会太多，少数IC就可以整合所有的电源。现行已有把5V/3V整合在一起的产品，以后将可以看到更高整合度的产品出现。

无线电源传输

最早无线电源传输是发展长距离大功率的发电厂等级的科技，使用微波从太空太阳能发电厂传回地球，不但干净而且效率高，但在消费电子上最常见于电动牙刷与手机。这两种能量的传输有很大的不同，小功率的传输能量大概是300瓦以下，其利用电磁感应与共振原理，这有点像电动机或是变压器原理的变形，效率取决于气隙大小，越大就越差。这个技术有个好玩的地方，因为没有导线传输所以可以自由移动小笔电且即便有阻挡物也可以传送能量，它有助于让小笔电不用充电器甩掉adaptor达到真正的mobile，另一个的优点是仅需在小笔电端加装线圈与控制IC，这完全都是在低电压下操作，一次侧还可以设计成不同的形状、不同的距离。intel 在2008的IDF有展示一个灯泡使用无线电源传输，现在有些厂商已有提供商业化的产品，像eCouple technology在2009的CES中有许多展出。

结语

这个技术有个好玩的地方，因为没有导线传输所以可以自由移动小笔电且即便有阻挡物也可以传送能量，它有助于让小笔电不用充电器甩掉adaptor达到真正的mobile，另一个的优点是仅需在小笔电端加装线圈与控制IC，这完全都是在低电压下操作，一次侧还可以设计成不同的形状、不同的距离。intel 在2008的IDF有展示一个灯泡使用无线电源传输，现在有些厂商已有提供商业化的产品，像eCouple technology在2009的CES中有许多展出。

---本文由工研院系统芯片科技中心提供；作者黄榆棊服务于工研院系统芯片科技中心／射频与模拟组／混合式集成电路设计部---