可携式装置市场的持续成长，为电池带来新一代的需求课题，其中对电池应用的主要选择条件包括效率、续航力与成本。如何有效延长电池寿命，即是当前可携式装置的设计重点；可携式装置的电池续航力越久，在消费市场上便更具销售竞争力。

可携式音讯播放器、PDA、行动电话、数位相机和许多其它产品都需要电池，包括两颗碱性电池、镍镉电池或镍氢电池等等。大部分可携式装置的电池应用以两颗碱性电池串接供电为主，也需固定的3.0V内部供应电压。碱性电池的问题在于：每颗电池的额定电压虽为1.5V，但实际输出电压却可能达到1.6V，因而使得两颗电池串接的总电压成为3.2V。这便表示：当输入电压高于所需的3.0V内部输出电压时，电源管理零组件便要能提供降压转换功能；在输入电压低于所需的3.0V输出电压时，也必须提供升压转换功能。电源管理所提供的升降压转换功能持续运作，直到电池电压升降至转换器操作所需的适当输入电压为止。

升压/降压转换架构可分为以下几种：单端初级电感转换（ste p-up／step-down conversion；SEPIC）、内建LDO的升压转换器、以及提供降压转换模式的升压转换器。工程师将以同样条件分析这些架构：每种转换器都使用两颗3号碱性电池，并且维持固定的3.0V输出电压。借此工程师将测量电池在无负载和15Ω（(200mA） 电阻性负载下的寿命，并分析元件在电池放电时的工作效率。

SEPIC升压转换

SEPIC转换器会在输入电压高于输出电压时提供降压转换。等到输入电压等于或低于输出电压后，SEPIC便会提供升压转换，直到电池电压低于转换器允许的最低输入电压为止。 SEPIC的主要缺点在于，它需要一个耦合电感（变压器）或两个独立电感，并结合一个耦合电容。电感和线圈的体积较大，会占用很多电路板面积，无法成为特重节省空间和电路板面积的行动装置应用的最佳首选。如(图一)所示。

《图一 SEPIC转换器示意图》

(图二)是显示SEPIC转换器的电池寿命特性曲线。从中可看出总寿命时间约为260分钟，其中包括元件1.8V最小输入电压规格所造成的限制。

《图二 SEPIC转换器使用两颗串接电池时的总电池寿命》

SEPIC转换器的效率通常不如降压或升压转换器。当输入电压低于输出电压时，整个稳压器的效率是由升压稳压器的效率决定。

内建LDO的升压转换器

另一种常被忽略的解决方式是：利用升压转换器提供电源给低压降稳压器（LDO）。升压转换器的输出电压在整个电池寿命范围内，都会大于LDO的输出电压与额定电压降之和（这颗元件为0.3V），相关说明请参阅(图三)和(图四)。

《图三 LDO方块图》

《图四 内建LDO的升压转换器》

LDO稳压器的耗电，会使元件的总效率低于普通的升压转换器。 LDO的效率，在整个电池寿命范围内都会保持固定，意味着LDO低效率所导致的耗电，必然会对元件的总效率造成影响。虽然负责供电给LDO的升压转换器，可以提供较高的效率，元件的总效率仍会等于LDO和升压转换器的效率乘积，也就是84％左右。 (图五)所示便是使用这颗元件所得到的电池总寿命曲线示意图。

《图五 LDO的电池总寿命曲线示意图》

提供降压转换模式的升压转换器

降压转换模式可让设计人员不必增加额外零件，就能针对「超过预期输出电压」的输入电压进行稳压调整。在此模式下，控制电路会改变整流PMOS的运作。控制电路设定PMOS两端的电压降，使其高到足以对输出电压进行稳压。提供降压转换模式的主要优点，是它不再需要额外的零件（例如SEPIC）或由LDO执行降压转换，进而减少元件的接脚。

《图六 提供降压转换模式的升压转换器》

这种可提供降压转换模式的升压转换器的另一优点是，电池电压若在操作时降到0.8V左右，元件就会自动进入关机模式，此电压过低锁定功能，可以避免转换器工作不正常。相较之下，SEPIC转换器在电池电压降至1.8V时就无法继续工作。

《图七 利用降压转换模式延长电池寿命示意图》

一般而言，元件在降压转换模式的效率，并不会高于上述的其它元件。从(图八)可以看出，元件在进入降压转换模式的前12～15分钟里，其效率约为70％，其余正常操作模式的效率则在93％～95％之间。在有限的电池寿命中，元件大约只有3％的时间，处于降压转换模式，表示电池在整个寿命期间的总效率会高于90％。

《图八 转换器在降压模式和正常升压模式的效率示意图》

结论

消费市场持续扩大，可携式应用亦需要更长的电池寿命，因此相关零组件制造商均不断寻找最佳化的转换器，以便为各种电池应用提供更能缩小面积、节省成本和降低耗电的解决方案，上述元件都是目前用来满足不同应用的特定需求、由工程师们所构思设计出来的可行要点，谨提供相关业界研发设计人员作为参考依据。 （作者任职于TI德州仪器）