可攜式裝置市場的持續成長，為電池帶來新一代的需求課題，其中對電池應用的主要選擇條件包括效率、續航力與成本。如何有效延長電池壽命，即是當前可攜式裝置的設計重點；可攜式裝置的電池續航力越久，在消費市場上便更具銷售競爭力。

可攜式音訊播放器、PDA、行動電話、數位相機和許多其它產品都需要電池，包括兩顆鹼性電池、鎳鎘電池或鎳氫電池等等。大部分可攜式裝置的電池應用以兩顆鹼性電池串接供電為主，也需固定的3.0V內部供應電壓。鹼性電池的問題在於：每顆電池的額定電壓雖為1.5V，但實際輸出電壓卻可能達到1.6V，因而使得兩顆電池串接的總電壓成為3.2V。這便表示：當輸入電壓高於所需的3.0V內部輸出電壓時，電源管理零組件便要能提供降壓轉換功能；在輸入電壓低於所需的3.0V輸出電壓時，也必須提供升壓轉換功能。電源管理所提供的升降壓轉換功能持續運作，直到電池電壓升降至轉換器操作所需的適當輸入電壓為止。

升壓/降壓轉換架構可分為以下幾種：單端初級電感轉換（ste p-up／step-down conversion；SEPIC）、內建LDO的升壓轉換器、以及提供降壓轉換模式的升壓轉換器。工程師將以同樣條件分析這些架構：每種轉換器都使用兩顆3號鹼性電池，並且維持固定的3.0V輸出電壓。藉此工程師將測量電池在無負載和15Ω（(200mA） 電阻性負載下的壽命，並分析元件在電池放電時的工作效率。

SEPIC升壓轉換

SEPIC轉換器會在輸入電壓高於輸出電壓時提供降壓轉換。等到輸入電壓等於或低於輸出電壓後，SEPIC便會提供升壓轉換，直到電池電壓低於轉換器允許的最低輸入電壓為止。SEPIC的主要缺點在於，它需要一個耦合電感（變壓器）或兩個獨立電感，並結合一個耦合電容。電感和線圈的體積較大，會佔用很多電路板面積，無法成為特重節省空間和電路板面積的行動裝置應用的最佳首選。如(圖一)所示。

《圖一　SEPIC轉換器示意圖》

(圖二)是顯示SEPIC轉換器的電池壽命特性曲線。從中可看出總壽命時間約為260分鐘，其中包括元件1.8V最小輸入電壓規格所造成的限制。

《圖二　SEPIC轉換器使用兩顆串接電池時的總電池壽命》

SEPIC轉換器的效率通常不如降壓或升壓轉換器。當輸入電壓低於輸出電壓時，整個穩壓器的效率是由升壓穩壓器的效率決定。

內建LDO的升壓轉換器

另一種常被忽略的解決方式是：利用升壓轉換器提供電源給低壓降穩壓器（LDO）。升壓轉換器的輸出電壓在整個電池壽命範圍內，都會大於LDO的輸出電壓與額定電壓降之和（這顆元件為0.3V），相關說明請參閱(圖三)和(圖四)。

《圖三　LDO方塊圖》

《圖四　內建LDO的升壓轉換器》

LDO穩壓器的耗電，會使元件的總效率低於普通的升壓轉換器。LDO的效率，在整個電池壽命範圍內都會保持固定，意味著LDO低效率所導致的耗電，必然會對元件的總效率造成影響。雖然負責供電給LDO的升壓轉換器，可以提供較高的效率，元件的總效率仍會等於LDO和升壓轉換器的效率乘積，也就是84％左右。(圖五)所示便是使用這顆元件所得到的電池總壽命曲線示意圖。

《圖五　LDO的電池總壽命曲線示意圖》

提供降壓轉換模式的升壓轉換器

降壓轉換模式可讓設計人員不必增加額外零件，就能針對「超過預期輸出電壓」的輸入電壓進行穩壓調整。在此模式下，控制電路會改變整流PMOS的運作。控制電路設定PMOS兩端的電壓降，使其高到足以對輸出電壓進行穩壓。提供降壓轉換模式的主要優點，是它不再需要額外的零件（例如SEPIC）或由LDO執行降壓轉換，進而減少元件的接腳。

《圖六　提供降壓轉換模式的升壓轉換器》

這種可提供降壓轉換模式的升壓轉換器的另一優點是，電池電壓若在操作時降到0.8V左右，元件就會自動進入關機模式，此電壓過低鎖定功能，可以避免轉換器工作不正常。相較之下，SEPIC轉換器在電池電壓降至1.8V時就無法繼續工作。

《圖七　利用降壓轉換模式延長電池壽命示意圖》

一般而言，元件在降壓轉換模式的效率，並不會高於上述的其它元件。從(圖八)可以看出，元件在進入降壓轉換模式的前12～15分鐘裡，其效率約為70％，其餘正常操作模式的效率則在93％～95％之間。在有限的電池壽命中，元件大約只有3％的時間，處於降壓轉換模式，表示電池在整個壽命期間的總效率會高於90％。

《圖八　轉換器在降壓模式和正常升壓模式的效率示意圖》

結論

消費市場持續擴大，可攜式應用亦需要更長的電池壽命，因此相關零組件製造商均不斷尋找最佳化的轉換器，以便為各種電池應用提供更能縮小面積、節省成本和降低耗電的解決方案，上述元件都是目前用來滿足不同應用的特定需求、由工程師們所構思設計出來的可行要點，謹提供相關業界研發設計人員作為參考依據。（作者任職於TI德州儀器）