行動裝置現在已經成為人們生活整體的一部份，它不但可讓生活更加安全（例如保護車子故障的駕駛人），也可以提供影音娛樂（例如接收最新的運動比賽結果），更有操作簡便、緊急聯絡以及社交功能等。然而，就使用者的感覺而言，行動裝置並沒有很高的價值。

時下行動電話的售價大都很低，只要消費者簽約即可。對消費者來說，成本是合約的時間長度，而非行動電話本身。消費者認為行動電話是一種「拋棄式」商品，可以隨外形、顏色與用途等最新趨勢不斷更新。不過，這種想法有點錯誤，因為行動電話是工程科技上的一項成就，需要數以百萬計的人付出多年的努力，方可將此產品推出市面。

在某個程度上，線性穩壓器也有相似之處，尤其是在手機的設計方面。高性能線性穩壓器具有良好的IC設計、封裝與製造過程，可提供下一代行動電話設計時所需的性能。

線性穩壓器被用作行動電話系統的「點綴」，且經常在產品發展末期才被挑選。設計師比較重視的是如何使複雜的基頻（BB）或射頻特殊應用積體電路（RF ASIC）發揮功能，而非其所選取的線性穩壓器功率與性能。線性穩壓器的銷售經常根據前端薄板規格變動，而非其核心特徵及資料表蓋子內的重要效能。

規格也經常令人誤解，雖然前端薄板上說明主要參數，但其方式混淆不清，且如果沒有和其他連結參數放在一起，可能就毫無價值可言。地面電流即為其中之一，這是由於線性穩壓器市場競爭特性的緣故。裝置製造商需要爭取時間，因而使得工程師只能匆匆檢視一下裝置。

此外，資料呈現的方式並未真正標準化。不同的等級、溫度與負載等，只有使設計工程師更加困擾。

線性穩壓器的分類及其與電池技術的關係

線性穩壓器主要有三種類別可供選取：通用、數位與類比。線性穩壓器的特徵隨應用特性而異，其參數經常成為交換條件。因此指定裝置種類的作法，是以設計應用的最重要規格來考量。

可攜式裝置的電池技術已經轉向鋰離子電池，因為此種電池每單位重量具有較高的電力，而且不會產生記憶效應（memory effect），通常與鎳基電池結合。鎳基電池會繼續存在可攜式裝置內，除了電動工具等需要高電流負載的用途之外，也因為鎳基電池的電阻較低。

鋰離子電池為行動電話的首選電池技術，但這項技術在規範鋰離子電池的半導體業之內並未以同樣的速度發展。有明顯進步的只有高分子電池（polymer cells）的引進，此種電池可隨行動電話的形狀鑄成。唯一明顯的替代品為動力電池（power cell），不過此種電池在短期內不會有明顯的影響，尤其是其副產物為水，對附近的電子產品會有不利的影響。

因此，為進一步將行動裝置調整出待機與通話時間，會形成一個趨勢，亦即不斷地（或許不公平地）促使半導體科技與構造能符合產品日益增加的需求。現在因為行動裝置不但需要考慮通話、待機時間還有遊戲時間，使得此一趨勢更加強烈。

由於多媒體與網際網路，使得性能優劣成為主要的考量。線性穩壓器愈來愈不需要靜態電流（IQ），因此對IC設計人員產生了若干交換情形。處理這些交換情形、發展配合構造甚至是改善這些交換等，將成為未來產品組合是否會成功的主因。在確認線性穩壓器的性能時，這些較低靜態電流的要求就已在改變各種線性穩壓器的特徵。

線性穩壓器

從早期的稽納二極體（zener diode）發展至今，線性穩壓器已經有很大的進步。現代的線性穩壓器使用甚多巧妙的構造設計以應付艱鉅的要求。基本上，線性穩壓器是由運算放大器與通道電晶體所組成。運算放大器使用兩個參考標準：內部參考電流器（band gap reference）與輸出的電阻器分配器鏈（resistor divider chain）。

進行調壓時，電阻器分配器網路的電壓值被回饋至運算放大器，然後在該處與頻帶差參考比較，而通道電晶體依照結果決定是否開啟。此為一個封閉式迴路系統，主要依據兩個電極：錯誤放大器/通道電晶體的內部電極，以及輸出電流需求和輸出電容器等效串聯電阻（ESR）的外部電極。更動這兩個電極不但會影響裝置的性能，並會造成迴路的不穩定。

進一步瞭解線性穩壓器的分類

在線性穩壓器不斷提高的要求中，其中之一是增加線性穩壓器的效能，也就是降低靜態電流和順向壓降（forward drop voltage）。然而天底下沒有白吃的午餐，在提高這些線性穩壓器優值（figure of merits）的同時，也會對其他特性產生不良的影響。

通用線性穩壓器的設計，在於盡可能提供全面的性能。特性經常對彼此產生阻礙，故需均勻地加以衡量。封裝選擇取決於成本與廣大的市場接受度。

數位線性穩壓器的設計，在於支援行動裝置的主要數位核心功能。現代的數位訊號處理器（DSP）與uController的操作，必須配合快速的效能以及高電流要求。特別是對於不斷擴充的應用以及從數據機驅動的行動裝置轉向具有各種功能的多媒體裝置等，在在都使得電流要求往上攀升。因此現今不再需要考慮通話時間與待機時間，而需考慮遊戲時間（電玩與網際網路）。

有分碼多重存取（CDMA）需求的新興市場，需要大量的錯誤修正與過濾。在軟體下載時，這些需求皆對數位處理核心功能造成極大的負擔，轉而成為對電源管理裝置的高要求與快速反應需求。這些特性驅動著對數位負載很重要的特性，那就是線路與負載規範或暫態。需要注意的是，這只是主要特性中的其中之二。這些參數經常不會出現在資料表前頁，並且是以兩種方式來表示：V/I的誤差％或實際的V/I值。這些皆應參考輸入電壓的負載電流或改變。

由於行動裝置的性質，有很長的時間並不需要核心功能。在沒有接聽電話、手機搜尋或使用多媒體功能的情況下，電源管理裝置會進入睡眠功能。因此，數位線性穩壓器被設計成進入睡眠功能並使用低電流，但需要時可迅速啟動。在睡眠模式時，線性穩壓器的所有主要操作，包括能隙（band gap）皆會被關閉。快速、但沒有太多過激（overshoot）的開啟時間變得極為重要。線性穩壓器過激太多和處理過激的能力與暫態電流（IQ）有關。當暫態電流降低時，維持或提升此能力則會變得很困難。

數位電路需要快速反應，但對線路與負載暫態的干擾小，需要的是能快速驅動內部電容節點、負載暫態以及相關的可用電流。當進一步降低驅動的可用電流時，線性穩壓器的反應能力會被降低。

假設在設計一個夠快的電路且有過激的情形產生，此時可使用一個電容器予以抑制，讓電容負載會變得更高，以產生更高的暫態電流。

類比線性穩壓器主要是依照空氣介面的要求驅動，而空氣介面是可攜式通訊的弱點。訊號極易受到雜訊與衰減的影響，故在考慮類比線性穩壓器時，很重要的是，裝置本身不會將更多的雜訊加至所要的訊號內，並且會抑制來自其他來源的雜訊。類比線性穩壓器的主要優值為雜訊的處理（單位為v rms）及抑制（電源供應拒斥比PSRR，單位為dB）。

參考電流器與通道電晶體為噪音的主要來源。外部加裝一個通道電容器雖可降低噪音，但會增加成本及外形因素。因此，可在矽晶片內加裝內部電容器。電晶體的雜訊實際上是由兩個因素結合所產生：熱雜訊（thermal noise）與閃爍雜訊（flicker noise）。這些現象導因於電子彼此衝撞且被陷在二氧化矽內。PSRR是裝置抑制另一個穩壓組件或雜訊產生器產生不需要的雜訊。這在類比環境中格外重要，因為類比裝置更易受到數位雜訊的影響。

雜訊本身與地面電流有直接的關聯，因為這是驅動電晶體的一個因素。金氧半場效電晶體（MOSFET）的驅動電流愈低，閃爍雜訊與熱雜訊就愈差，驅動電流轉換成低暫態電流也就愈低。

雖然現代線性穩壓器設計人員面臨多重的交換條件，但並非一切皆已無法挽回。利用已經發展出的技術，是有可能擁有智慧更高的裝置，並彌補系統不正常及無法預測的要求。測量輸出與輸入電流/電壓及強迫裝置獲得更高穩定性的方法已經被設計出來，同時可降低地面電流與順向壓降。使用矽晶片MOSFET結構的電容效應以及其他技術，可以整合旁通電容器及輸出/輸入電容器等外部功能，同時尚可能維持或改善性能並進而降低材料費用與外形因素。

線性穩壓器的下一步

大部分的現代行動通訊裝置都力求外部元件的整合。其中一個趨勢是，分離的線性穩壓器會被用作電源管理單元（PMU）。現今的電源管理單元已經使用甚多傳統線性穩壓器。電源管理單元，經常發展成為客戶取向的混合訊號特殊應用積體電路（ASIC），亦即外形因素的最佳化。

行動電話基本上有兩種功能：數據核心與多媒體、使用者經驗核心。數據機會繼續整合並且成為所有未來發展的具體平台，此傾向會使PMU ASIC成為解決方案的一部份。不過，PMU本身具有一些根本弱點。若因故必須改變，整個裝置即需重製。這極不符合成本效益，且會影響上市時間。上市時間亦應以成本損失估計，而非以所花費的成本衡量。即使只有一個高效能的核心功能，彈性仍然是很重要的，所以在考慮整合所有電源管理功能時，需極為謹慎。具備外部線性穩壓器有助於增加彈性。同時，將諸多裝置置於一個單一模組上亦甚為複雜，散熱即為其中一個問題。多媒體核心與使用者經驗核心將會成為下一代行動裝置的一個主要需求。對電流也有持續不斷的需求，但仍須遵守物理定律。這些熱需求亦會驅使下一代電源管理的分隔。

未來，若干電源管理設計可能會建立在直流對直流、由後穩壓線性穩壓器（post regulation linear regulators）支援的降壓穩壓器（buck regulator）。這表示低輸入電壓線性穩壓器的進一步發展，使輸入電壓更趨近1伏特。同時，由於未來數位核心的功能會漸低於1伏特以下，以及製程隨著摩斯定理（Moor's Law）往前發展，輸出電壓也會降低。電壓的降低以及未來線性穩壓器的發展，將會為此類裝置打開可攜式應用的新市場，使單一1.2伏特電池的直接線性穩壓更有可能實現。

結語

認為分散的線性穩壓器將被整合且不再被需要的人，是只考慮到今日系統的需求，而未考慮到未來的市場。隨著封裝、製程以及系統等進一步推動電源管理裝置的能力與需求，電源管理裝置的角色和外觀勢將改變以迎接挑戰。行動電話設計人員將會根據效能優勢、應用與使用方便等考量選擇產品。研發廠商必須考慮這些變化的系統需求，研發新的結構、製程與封裝，才能在市場上繼續保有領先優勢。（作者為NS美國國家半導體歐洲市場行銷經理）

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