最近几年的电源供应设计和电源管理发展趋势，已经反映出整个电子产业都能见到的许多动态，例如零件整合度日益增加、利用数字组件来加强或取代传统模拟电路的做法更加普遍，以及在前两个趋势影响下，越来越多智能型功能开始分布至整个电源系统；毫无疑问的，这些力量将在未来的几年内继续影响电源零件。此外，某些特殊应用的电源系统设计技巧也已出现，它们也将塑造电源零件的本质和功能。

在这些特殊应用的众多发展趋势当中，最主要的趋势是把移动电话设计技巧和方法应用到其它行动通讯、运算和消费性电子装置的电源系统，例如PDA、数字相机、混合式智能型手机和其它产品。

电源系统单芯片（power-system-on-a-chip）的整合

无论就整个电子产业而言或是仅针对行动应用来说，零件整合的技术长期以来是发展重点之一；最值得注意的是，移动电话的电源供应设计也是遵循这个趋势，朝向更高阶的芯片整合度发展。移动电话的电源系统曾经是由许多离散模拟零件组成，但目前的情况已经大不相同，最初的功能整合在于尽量缩小这些离散式电源零件的体积，随后则是把它们整合至一颗或少数几颗电源管理组件。现在，这些电源零件开始加入越来越多的功能和智能，它们的应用范围也逐渐跨出移动电话产业，进入各种不同类型的掌上型装置。

芯片整合的理由对于整个电子产业都相同：把更多功能整合至更少零件后，产品成本即可大幅下降，因为制造这些产品所需的组件数目和电路板面积都会减少、产品的组装和制造程序会更简单、更高的系统可靠性还能缩短测试时间。此外，更高阶的芯片整合度也能提高发展流程效率，进而加快制造商的新产品上市时间；由于他们能更快在市场上推出新产品，芯片整合度确保产品上市时拥有极大竞争力。

《图一 电源系统单芯片示意图》

目前市面上已有具备高整合度、高功能之电源系统单芯片（power-system-on-a-chip）范例，如(图一)；该组件可专门支持各种行动应用的电源管理需求，包括PDA、数字相机、多媒体智能型手机和其它产品；无论是任何系统，只要它们使用单颗锂离子电池或是锂聚合物电池，并且包含多组电源线路和多颗先进应用处理器，就能以此类组件做为它们的电源系统。

数字零件改变电源系统设计

高整合度电源单芯片所拥有的高阶整合度以及功能，是因为在电源系统设计中加入许多数字技术。当数字电路加入电源系统后，更多的智能即可内建至电源系统，进而减少系统主机处理器的工作负担，使它能够执行对于系统成败更重要的工作。透过这样的方式，数字加强型电源供应就成为优化的系统外围，它可以连接至操作系统，以便提供监督和控制功能。

此外，数字组件的延展性也优于模拟组件，因此随着数字制程越来越精密，数字电源芯片也会变得更小，使它们所需的电路板面积随之减少。若只利用模拟技术来实作电源供应的组态设定和监督，电路通常会变得很复杂，闲置电源的功耗也更大。体积较小的数字电源组件则能提供多种工作模式，减少电源子系统的功耗，这表示电源管理系统只会消耗更少的系统电源，使得更多电力能够提供给系统使用。某些电源系统已开始从模拟转向数字，受到这个趋势影响，电源系统设计人员必须掌握新的设计技巧；最后，这个转变过程会迫使电源系统设计人员以数字方式思考，并对操作系统有更深入的了解。

朝向数字电源的趋势已产生多种效果，行动通讯系统处理器与电源子系统的互动方式就是个例子；过去，当电源子系统还不是那么先进，并且主要包含模拟零件时，基频处理器必须透过不同接脚，才能把基本的开机／关机命令送给电源子系统。随着更多数字技术用于电源组件，并使它们变得更聪明，基频处理器和数字电源管理组件就能以更复杂的信息和命令相互沟通。要让这样的芯片对芯片互动达到可接受的效能水平，处理器和数字电源管理组件之间就需要更先进的界面，例如I2C就是适合此用途、而且功能更强健可靠的界面之一。

在主机处理器和电源系统之间使用强健可靠界面的影响之一，是电源系统设计人员现在必须学习如何利用这些界面，而不仅是简单的开机和关机线路。某些电源系统设计人员正在第一次学习如何操作界面，以使电源管理组件能和主机处理器的操作系统顺利沟通；在许多情形下，这牵涉到学习新的程序设计工具和语言──当电源系统的绝大多数零件是模拟组件时，设计人员并不需要使用这些工具或语言。

智能型电源子系统

随着越来越多智能型功能分布至整个电源系统，代表电源系统更需要先进的功能界面──特别是在处理器和电源管理组件之间，对于这类界面的需求更为明显。这个功能界面必须包含所有子系统的电源管理功能，例如电池充电和监测。除了发展实体界面之外，系统还需要一套协议来支持各种子系统，而且这个协议不能带来不必要的复杂性。

在今日的笔记本电脑中，电池管理单元会使用类似于I2C界面的SMBus界面；这个界面的应用正在扩大，把更多电源子系统纳入支持范围。为电池管理子系统增加功能界面，充电子系统和电源管理功能之间的合作将更有效率。系统主机处理器过去必须尽可能监测电池电力，同时管理整个充电程序，现在随着更多智能功能分布于整个电源系统，电源管理组件可与其他电池电力量测组件以及各种电池充电零件密切合作。

电池监测管理子系统

电池监测功能最初是透过少数几颗比较器来提供，它们连接至显示屏幕的指示计，显示电池剩余电力。随后厂商开始把模拟数字转换器嵌入系统的基频处理器，使它能监测电池的电力状态，最新发展则是在组件中加入智能型电池管理子系统，如(图二)所示。不同于其它简单的电池监测零件，此种方式是完全整合式的电池电力量测组件，内建处理器可以计算电池剩余电力以及这些电力所能提供的系统运行时间；此类处理器利用电压偏移值很小的整合式电荷计数转换器（coulomb counting converter）来量测电池的充电及放电电流，并透过内建模拟数字转换器量测电压和温度值，并根据这些量测结果以特定算法来准确计算电池的剩余电力；过去只有在笔记本电脑的系统层次，才会提供这种程度的电池管理功能。

《图二 电池电力量测组件示意图》

电池电力量测组件能带来更有效以及更高效率的应用系统，进而增加用户的满意度。最新的电池充电技术需要更强大的智能，以便迅速完成电池充电，协助延长电池的供电时间，这也是分布式智能带来的好处之一。

就使用单颗锂离子电池的行动装置来说，当电池达到满电位容量（full capacity）之后，继续充电反而会减少电池在满电位所能储存的电力，这会对用户满意度造成不良影响。举例来说，用户为确保移动电话的电力饱满，当他们坐在座位上时，常会把手机放在充电基座上面；不幸的是，这种做法不但无法增加移动电话的待机时间，用户还可能发现它们的待机时间越来越短，因用户若一直让电池处于非常高的充电状态，往往会减少电池容量；而若电池为不易更换的内建式，这种现象就特别容易造成困扰。

适应性与弹性为电源子系统发展趋势

藉由将具备智能型功能之电池充电程序即可避免以上问题，智能型电源管理系统不会将电池充电至它的最大容量（maximum capacity），而是监测电池的电力，等到电力使用量达到某个程度时，才开始对电池充电。充电程序结束后，智能型电源管理系统会等待电力再度下降，当电力减少至另一个默认值时，充电程序就会重新恢复。这种方式使得充电水平达到满电位容量附近的狭小范围内，避免电池因为长时间处于最大充电状态而受到损坏。

不但如此，未来具备更多分布式智能功能的电源子系统，应具备更多适应性和弹性，进而减少整个系统的功耗。举例来说，未来的智能型交换式电源子系统将能够预测它们的操作情形，只要根据特定的电源使用模式，这些电源系统就知道如何迅速做出反应，甚至在系统需求出现之前，就先调整自己的操作模式以配合这些需求。这种技术能够延长系统的待命和操作时间，并对用户的要求和命令更快做出反应，进而降低功耗，提升用户的满意度。

扩大移动电话电源技术的应用范围

电源系统设计还有另一项主要趋势，就是把移动电话的设计技巧及作业方法带给其它的可携式应用。许多系统会和手机汇聚在一起，PDA就是个例子，这类系统很适合采用行动通讯手机率先发展的电源方法；除此之外，还有其它看起来并不相关的应用，如数字相机，也开始采用同样的创新电源功能；目前已有将移动电话背光照明及彩色屏幕的多种电源技术转移至PDA和数字相机的应用。如(图三)所示之高频率白光LED驱动组件，即可支持不同种类之可携式设备彩色液晶屏幕之电流控制功能。

《图三 高频率白光LED驱动组件示意图》

移动电话还带动另一个发展趋势：它可以使用多种不同电源对电池进行充电，这项功能目前也为其它应用所采用。举例来说，新型电源管理零件可以选择USB端口或是外接式电源供应器做为移动电话、数字相机或PDA的电池充电来源；而具备智能型功能之电池充电组件，可随着系统电源的不同自动选择适当电源做为电池充电来源。

结语

数字芯片技术的许多优点正迅速获得行动装置的电源系统所采用，数字技术也开始取代电源系统设计中常见的模拟零件，而在造成这股风潮的诸多原因当中，最重要的就是数字技术能提供更高阶的芯片整合度。随着数字组件成为电源系统的主要零件，新的机会也开始出现，可将让数字智能功能分布至整个电源系统，进而改善电源使用率、降低功耗和提升整个主机系统的作业能力。

就许多方面而言，移动电话市场在先进数字电源技术的实作确实居于领先地位，但现在包括PDA、数字相机和行动网络家电在内，许多其它应用也开始采用移动电话率先探索的电源系统创新功能，这会让电源供应从独立电路变成系统外围，并与操作系统结合在一起，使得系统可用电源能够发挥它们的最大效益。

（作者为德州仪器电源管理产品部门应用工程经理）