現今新的行動電話和筆記型電腦所採用的電源管理系統都運用了大量類比和數位控制功能，其設計方法五花八門，有的是將IC分割成不同的功能區塊，有的則是使用單一顆混合信號IC來提供完整系統的功能。對工程師來說，要為新設計挑選及評估可能適用的電源管理系統並不是一件容易的事。依據功能區塊的效能來評估候選的產品是一個很好的著手點，特別是類比功能區塊。幾乎所有電源管理系統都會有的一個核心功能區塊是電池充電器，正確地選擇功能齊備又專門的直流系統電源供應器可以大幅簡化電源管理系統之電池充電器功能區塊的測試工作。
典型電源管理系統的功能區塊圖
(圖一)所示的功能區塊圖是以電池供電之行動裝置的電源管理系統，可以反映出今日行動裝置常見的複雜設計。系統中的功能區塊本質上通常可以分為數位和類比兩種。
類比功能區塊
電池充電器
可監測電池、充電器輸入和主機裝置的操作狀態，以便視情況所需，從充電器或電池供電給主機裝置、對電池進行充電或將主機裝置關機。
直流/直流變壓器
能以高效率將未經穩壓的電池輸入電源轉換成穩壓過的輸出電源，適用於電源要求較高的應用，例如供電給顯示器的背光電源，或是DSP或微處理器的核心電源。
低壓降穩壓器（LDO）
很多LDO都可以提供可程控的電源給主機裝置的各個子單元使用，就行動電話而言，可能會有多達12個LDO來單獨提供基頻DSP、鈴聲和振動器、音頻放大器、顯示器的背光模組、RF功率放大器以及發射器和接收器電路等各個部份所需的電源。
音頻放大器（audio amplifier）
大部分的裝置都會使用一或兩個音頻放大器，這自然也是電源管理系統要管理的一部份。新的class-D切換式放大器具有耗電量低的特性，因此使用得愈來愈普遍。
電池充電器的功能區塊詳述
儘管電源管理系統的設計各有不同，但電池充電器區塊的功能卻有極高的共通性。許多充電器都可以辨認出所安裝的電池類型，如鎳鎘（Ni-Cad）、鎳氫（Ni-MH）或鋰離子（Li-Ion），然後再針對其化學特性使用合適的充電方式。(圖二)是一個電池充電器區塊及相關組件的範例。
啟動、維持和終止電池充電動作的基本參數包括電池的電壓、穩壓狀況和溫度、變壓器的電壓以及充電電流，且因電源與散熱上的限制，通常也要將主機裝置的操作狀態列入考慮。充電器區塊內的控制電路會考量這些因素，然後提供外部控制信號來調整充電的動作，並將充電的狀態回報給主機裝置。
電池充電的過程
當電池達到充電的條件時，典型的充電過程會依序經過三個階段：
測試電池的狀況
充電之前通常會先檢查電池的狀況，一種做法是將一小段電流脈衝加到電池中，同時量測所產生的電壓反應，從電壓反應就可以確定電池的狀況、阻抗和類型等細節資訊。
選擇充電的方式
充電的方式要視電池的類型而定，鎳鎘和鎳氫電池是藉由恆定電流來充電，而鋰電池則是先用恆定電流來充電，然後再改用恆定的“浮動”電壓來進行。
結束充電
停止充電同樣要視電池的類型而定，要終止鎳鎘和鎳氫電池的充電動作需由電壓增加的改變來觸發，以降低電池的電壓和提高電池的溫度。相較之下，鋰電池只要其所吸汲的充電電流下降，就會觸發終止充電的動作。
充電過程的細節如(圖三)所示。
電池充電器功能區塊的測試需求
測試時會用電源供應器來取代模擬電池和充電器。由於這些電源供應器是可程控的，因此可以經由控制的方式來測試電池充電器的功能區塊。就充電器功能區塊的運作和充電的過程來看，測試系統會有幾項具體而明顯的要求。
模擬和替代電池的主要考量因素如下：
充電和放電
在使用的狀態下，電池會供電給主機裝置使用，但在充電的狀態下，電池則會變成一個負載，要靠充電器強迫電流回流到電池裡面來補充電力，此時電池會維持在一個相對穩定的終端電壓上。
用來模擬電池充電和放電動作的電源供應器在設計上必須能進行二象限（two-quadrant）的輸出操作，不僅要能提供和吸汲電流，同時也要能維持一個穩定的電壓。二象限的操作如(圖四)所示，不過，大多數電源供應器的設計都只能供應電源而已。
電池輸出阻抗與電池穩壓反應
電池並非完美的電壓源，一般會有數十到數百毫歐姆的串聯輸出阻抗。輸出阻抗是電池穩壓測試中，主宰電池輸出電壓反應的主要因素。
當輸出阻抗是充電器的一項特性時，在程式的控制之下進行輸出阻抗的模擬有助於驗證電池的穩壓測試，另外也會需要可以擷取所產生的動態電壓反應信號的方法。
充電狀態的電壓相依性
電池的電壓會隨著充電位準的改變而改變，這也是確立充電結束和放電終止點的主要參數之一。
精確的輸出電壓程式設定能力和大約0.2％或更高的讀值準確度，對於模擬和驗證電池充電狀態的電壓相依性與測試充電的終止點會有幫助。
電池的溫度
一般在電池中會使用一個負溫度係數（NTC）的熱敏電阻來監測電池的溫度，當與充電器區塊連接的時候，會產生一個與電池溫度成正比的電壓。
在測試時，一般可以用一個電壓信號來代替阻抗，以模擬電池的溫度。
鋰電池的浮動電壓與充電終止
在鋰電池充電的第二個階段，電壓會“漂浮”到與充電器的輸出電壓相吻合之處，這個電壓加上電池的串聯阻抗會造成充電電流逐漸減弱，一直到電池被視為充飽電為止。
精確的輸出電壓程式設定能力加上可程控的串聯輸出阻抗可用來進行鋰電池充電終止的模擬。準確的負（第二象限）電流讀回（read back）能力則有助於驗證充電的終止點。
關機狀態的電池電流吸汲情形
當電池充電系統與主機裝置一起關閉的時候，就不應該從電池耗用掉太多的電流。
一般關機狀態所吸汲的電流大約在微安培之譜，因此微安培等級的電流量測能力對驗證關機狀態的電流吸汲情形會很有幫助。
模擬和替代變壓器的主要考量因素則比較少一點：
變壓器輸出恆定電壓（CV）的限制
任何一款充電器都需要仰賴變壓器來提供特定的輸出電壓位準（在幾個百分點內），才能正常地動作。
要取代變壓器的電源供應器若能有大約0.2%的電壓程式設定準確度的話，將有助於檢查充電器在最低和最高變壓器電壓限制範圍的動作狀況。
變壓器輸出恆定電流（CC）的限制
設計上，通常在全力充電的條件下，充電器都需要仰賴變壓器來維持恆定的電流輸出。
要取代變壓器的電源供應器會需要具備良好而基本的恆定電流限制設定能力。
不可少的充電電流讀值準確度
電池充電電流讀回能力通常是充電器區塊不可或缺的功能之一。
電源供應器若能具備準確的電流讀回能力，將有助於驗證充電器不可少的電流讀回能力。
變壓器電源關閉或切斷
當變壓器的電源關閉或切斷時，一般在充電器的變壓器連接埠上不應該出現任何的負載。
斷路繼電器可提供最有效且方便的方法，將替代變壓器的電源供應器隔離開來。
減輕測試系統複雜度
要建置出(圖五)所示的測試系統配置圖，方法之一是針對每個區塊，使用多款通用型的測試設備，但這種方法在建置和最佳化上很快就會變成浩大的工程。另一種較好的方法是使用較專門的測試設備，這些額外需要的功能在這種測試設備上都是標準的配備。Agilent 66319B直流電源就是一個這樣的例子，它是專為測試時替代和模擬電池而設計的。
對測試要求較少的變壓器來說，只要一部能夠額外提供輸出斷路繼電器的優良系統直流電源供應器就可以滿足其需求。簡化過的測試系統配置方式如(圖六)所示。
結語
今日的電源管理系統具備前所未有的效能與功能，可延長電池供電裝置的操作時間，不過伴隨而來的是更多樣化的選擇和更高的複雜度，使得挑選和評估適合新設計使用的電源管理系統變成了一大挑戰。一個很好的著手點是類比電池充電器的功能區塊，它幾乎是所有電源管理系統的核心功能，由於其複雜度更高、更聰明，能將電池管理得更好，因此充電器功能區塊的測試也需要投入更多的時間和設備。比較好的做法是使用較專門的設備，就電池充電器的功能測試而言，較專門的直流電源供應器可提供齊備的電源供應和量測能力，能大幅簡化測試的設定，並空出更多的資源來開發下一個新產品，而不必耗費在測試系統上。（作者任職於安捷倫科技）
相關時事單元
相關產業類別
相關組織
相關產品類別
相關網站單元