消費性產品，特別是手持式裝置近來就和許多其他裝置一樣，在複雜度上有大幅度的提高，像是關閉單槽式電池便需大量的電壓等級，或是當電池充電時需要壁充型充電器。在這些裝備上的電源供應必須將單一電壓等級轉換成提供不同電壓供處理器、DSP、ASIC、SDRAM、隨身碟和具備LED背光的LCD使用。除此之外，對於不同電壓的處理器、DSP和FPGA等裝備電壓等級必須低到1.2V並接近0.9V，讓系統的容錯度更嚴謹而且需要一種更精確的方式來保持這些電壓等級在規格之內。在其他特別嚴苛的情況下，堆疊式白色LED背光便需要高達30V並具備精確的電流控制來依序提供10個白色LED電源。對於更複雜的案例，所有這些裝置同時間由於可靠度和節約電池壽命等原因，都必須在不同時間開啟或關閉。如果無法符合上述需求則性能會馬上降低，像是匯流排衝突、電池壽命縮短或是裝置被佔用等不良狀況都會提高。

在行動式設計和解決方案上的設計挑戰可強化電池壽命，但也必須追得上系統改變和性能強化等條件。為了符合這些挑戰，目前趨勢是朝向可

程式的多樣化輸出DC-DC電源管理裝置，並具備數位式控制來容許簡單的輸出電壓等級之軟體量身訂製，和電源排序需求。由於系統供應需要快速改變，一種新的“平台解決方案”可改變來符合任何型式的系統電源供應需求以減輕設計者的工作。這可藉由指定一個電源區塊來達成，而這個區塊必須在不同應用領域上標準化並可數位式設定到不同需求上。

多種不同電壓之DSP、FPGA、LED背光及LCD顯示等元件的大量增加，和其他在手持式應用裝置上所建立出的需求，將提供一種數位式可程式化電源管理控制功能，以符合急迫的大量電源供應需求，並提供裝置在行動裝備上使用，如(圖一)所示。

《圖一　典型手持式裝置電源管理系統》

＜圖註:典型手持式電源管理系統由於電源管理是可完全設定的，若系統區塊改變，管理者也隨之改變。圖中共有八個電壓輸出，其中包含三個同步PWM〝buck〞降壓轉換器、一個可設定的PWM〝boost或buck〞轉換器、三個可設置的PWM〝boost〞升壓或反轉轉換器、一個Low Dropout（LDO）線性整流器，和一個可完全程式化的鋰離子電池充電器。＞

在沒有標準下如何標準化一個系統

當使用一些較為複雜的手持式系統，像是隨身媒體播放器、數位攝影機/靜態相機、智慧型PDA/相機或手機，手持式GPS/PDA等都使用TFT LCD和目前一些OLED螢幕，同時也增加了電源供應的複雜性並具備大量不同的電壓需求，有時候甚至多達12種不同的需求。也由於供需的數量增加，供應次序變成非常重要，因為累積的輸入電流要求特別集中在開啟或關閉所有供應電源時，此外再加上電源消耗及相關的溫度上升都造成在較低電壓時緊縮的電源供應精確性降低，這些都是讓維護可靠度難以改善而增加困難度的最主要原因。上文所談到的都被要求應以較短研發時間、較便宜的產品和改善可靠度，以提供新的解決方案來處理新平台設計上的議題。因此，讓系統電源管理標準化的優點就是電源鏈結合監控功能在跨越平台上都會是相同的。

《圖二　電源管理方塊圖顯示在像是PDA、智慧型手機或DSC等不同手持式裝置上可能的不同電源供應和組態。》

為協助標準化，一個數位式可程式化供應平台必須具有一個類比控制器/轉換器，來提供較固定解決方案更好的優點以及純數位PWM控制。其中一個優點就是可程式化解決方案大幅降低有關改變系統需求的風險，藉由可程式化解決方案排序次序可加以修改，同時排序通道也可藉由簡化程式化控制器來以追蹤通道取代。這可儘量降低由於系統需求不能明確瞭解下所造成電路板需要更換的可能。這種可程式化解決方案也賦予設計者更高的信心能讓電路板一次設計便成功。若遭遇到問題，重新程式設計可加以解決這些問題，並針對電路板所具備的功能進行除錯和測試。在整個公司範圍的基礎下，程式設計解決方案也容許超越平台的應用，也就是現有的設計在簡單重新程式設計後可重新作為單獨的解決方案，類比式PWM轉換器和LDO可讓一個較小、簡單以及便宜的裝置使用，而在晶片上具有完整的DSP。

《圖三　詳細架構顯示LED驅動器，高達10個LED可以序列方式連接；並透過I2C匯流排進行程式化亮度控制。》

類比式處理也讓MOSFETS電源整合到適當之處，同時PWM可在不同程式化頻率下操作以減少外接元件尺寸。如果依據如此進行設計，則DSP需要非常高的時脈和相關的高解析度AD轉換器來提高精確度，而數位化方式也要承受有關量化錯誤的問題，一個完全程式化的電源供應裝置具有整合式非易變性（NV）負載平衡類比式PWM控制器來提供在任何電源系統上的電源管理需求。這項程式化能力可容許高性能類比信號在處理和溫度上具有0.5％精確度，並且在基本的較低成本元件上使用一具有非易變性類比負載平衡的標準數位CMOS處理。透過NV程式化/再程式化的彈性和可設定的硬體功能，以及使用一數位式界面而具備可程式化類比參數到系統和GUI研發工具上，都使得標準化很容易達成，由於這是一種類比功能，高度整合了電源的供應並使用可程式化電源控制來調節。

對於完整的彈性，一系列的裝置均具有完整程式化電源供應並具備整合式PWM控制器的特色，用來監控、差異化和遞減排序以提供在手持式電源系統中所有需要的電源管理需求，這一系列的裝置可設定在五個或更多通道上，而電池充電器的功能可符合大多數的需求。一個可能選項範例如(圖二)所示。系統可設定為具有5個電壓輸出再加上參考值，包括：可設定的同步PWM“buck”降壓轉換器，PWM“boost”升壓轉換器，PWM“buck-boost”負向DC-DC轉換器，和LDO呈現出±0.5％的整體精確度，並具備彈性來設計任何系統組態。一個IC雙線系列匯流排可用以程式化電壓程度和監控狀態。

《圖四　圖形化使用者介面》

＜圖註:非可變性程式化功能非常容易進入到圖形化使用者介面（GUI）來協助輸出電壓和電流在系統內的修改。所有電壓等級和故障激發都可使用視窗GUI來程式化，和一個相容於PC的平行埠到I2C或USB序列匯流排程式設計，臨界的高和低值均可事先程式化而且一個簡單的I2C指令會提出並降低LED亮度。＞

電源系統可用以開啟/關閉遞減式順序，而其中每一通道可指定到這四個順序位置其中之一。供應電源也可透過I2C指令分別開啟/關閉，或是藉由一個啟動插槽的插入來達到相同功能。遞減順序，和以時間為基礎排序不同，使用回饋來確定在下個通道啟用前的每個輸出是有效的。

每一輸出電壓和電池會監控是否有低電壓和高電壓情形。當有故障發生時，所有電源供應可能依序關閉或立即停用多重輸出狀態插銷，以用來作為通知主機處理器或其他系統錯誤的監控電路使用，一個低電壓鎖定（UVLO）電路可確保IC在電池電壓未達到安全操作電壓前不同啟動，UVLO的功能會展示滯後現象，以確保在電源供應架上的噪音不會不慎導致系統故障。

當類似低電壓或高電壓狀況發生於監控輸出或在系統電源供應出現低電壓的錯誤時，所有監控的電源供應可能會激發出像是一排序電源關閉的操作之內部錯誤反應，或是一種立即的強迫關閉。

每個電源供應輸出也會透過一個I2C指令在任何點個別將電源來自主系統電池，電池電壓會持續監控以維持在低電壓狀態。當達到一程式化威脅程度時，POWER-FAIL插銷（SMB112）會插入並閂上。

《圖五　電源啟動串聯排序和SMB 110的臨界高/低波形》

＜圖註:註：供應通道是以串聯排序開啟名義上的電壓，再來是臨界高或低值，然後串流排序關閉，通道1、2、3、4都是第1個臨界高值，而然後通道2和3則是臨界低值。最多可有4 PWM電源供應被控制。＞

動態電壓控制

臨界或動態電壓控制建立三種預先程式化設定，讓每一個通道可透過一個I2C指令來設定電壓或電流改變，所有輸出可臨界超越每一通道所能夠獲得的相同可程式化範圍。當使用一個設定為LED驅動器(圖三)的通道時，臨界值是種理想方式，其中提供三種不同亮度設定。由於零件的彈性，LED可依序列設定來提供亮度一致性或以平行設定來提供不同的亮度控制。在下列所示的範例中，可多到10個LED由增加效益通道所驅動。當設定為一個固定電流LED驅動器時，增壓效益輸出會自動伺服輸出電壓，所以流過LED鏈結的電流會與流經附加在COMP 1插銷上電阻的電流一樣，下述的LED電流能夠驅動10個白色LED並具有最大電流，因受限於LED所以大約是30 mA。此外，每一輸出的旋轉率會受限於數位式軟體啟動電路，這是可由使用者程式化而不需要外接電容。所有可程式化設定會儲存在非可辨識登陸器中而且很容易存取和修改。

動態電壓控制在本質上也是電源關鍵性應用並具有非常動態的操作模式。在這個範例中高功率元件可由不同電壓程度的電源供應並維持在特定狀況下，因此可明顯地大幅延長電池壽命。

《圖六　可程式化的線性鋰離子電池充電器》

＜圖註:一個可程式化的線性鋰離子電池充電器並提供多種在充電週期，由登錄器中包含了所有有關電池充電運算法則的資訊，這裡有程式化選項，像是最後的浮動電壓、充電電流、預先充電電流、快速充電電壓、快速充電電流、浮動電壓（0.5％）、終止充電電流、OT/UT臨界值和充電計時器。＞

電池充電器

鋰離子（Li-Ion）電池充電器需要三種充電模式以提供最佳性能和安全性。這些操作模式包括一個限制性電流預先充電模式以當電池非常嚴重放電時使用，一種快速充電高電流模式，和一種固定電壓慢慢充電模式，如(圖六)。當鋰離子電池嚴重放電時，電池充電應以一種限制性電池充電電流開始充電。預先充電浮動電壓超過之後，電池充電電流應由預先充電電流增加到快速充電電流。快速充電電流也應程式化，而最後的浮動電壓則應能夠符合新的且較高容量的鋰離子電池並有較大的浮動電壓。

一旦超過了最後的浮動電壓，電池充電器應可選擇進入一個固定電壓模式，而其電池電壓會保持固定，以讓充電電流逐漸變小。固定電壓充電模式應持續直到充電電流降到終止電流臨界值之下。一可程式終止電流等級非常有用，因為它允許系統在頻繁充電以供應較高電池容量或減低充電時間上做決定。

溫度偵測輸入也是必須的，以避免在充電期間過高的電池溫度。溫度監控電路應符合所有不同內電阻並取消電池充電直到電池電壓降到安全操作範圍內。

《圖七　可程式化電池充電器選項》

結論

新的數位式程式化電源供應提供I2C程式化輸出電壓、開啟和關閉排序、個別電源供應啟用控制、電池監控和充電、在PWM輸出UV和OV監控、臨界LED背光程度、旋轉率控制和程式化電源開啟關閉排序等功能。主動的控制DC輸出電壓程度到低及高值線之下的0.5％內，以符合高性能元件嚴謹的除錯性需求，並更進一步延伸操作的可靠性，臨界電源供應測試系統性能目標以及提供一種更容易的方式來進行調整，像是亮度和容量。主動精確度控制的整合、程式化特色和預設的彈性都讓系統設計者建立出一種“平台解決方案”，並且可以透過軟體來方便修改而無須進行重大的硬體改變。另外結合再程式化能力，將協助加速設計週期而且由一基礎設計擴散到未來新一代的產品線上。

（本文作者Tom DeLurio為Summit Microelectronics應用工程主任；Josh Jones為Summit Microelectronics應用工程師）

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