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挑戰行動裝置高整合度電源系統設計
 

【作者: Dave Freeman】   2003年10月05日 星期日

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最近幾年的電源供應設計和電源管理發展趨勢,已經反映出整個電子產業都能見到的許多動態,例如零件整合度日益增加、利用數位元件來加強或取代傳統類比電路的做法更加普遍,以及在前兩個趨勢影響下,越來越多智慧型功能開始分佈至整個電源系統;毫無疑問的,這些力量將在未來的幾年內繼續影響電源零件。此外,某些特殊應用的電源系統設計技巧也已出現,它們也將塑造電源零件的本質和功能。


在這些特殊應用的眾多發展趨勢當中,最主要的趨勢是把行動電話設計技巧和方法應用到其它行動通訊、運算和消費性電子裝置的電源系統,例如PDA、數位相機、混合式智慧型手機和其它產品。


電源系統單晶片(power-system-on-a-chip)的整合

無論就整個電子產業而言或是僅針對行動應用來說,零件整合的技術長期以來是發展重點之一;最值得注意的是,行動電話的電源供應設計也是遵循這個趨勢,朝向更高階的晶片整合度發展。行動電話的電源系統曾經是由許多離散類比零件組成,但目前的情況已經大不相同,最初的功能整合在於儘量縮小這些離散式電源零件的體積,隨後則是把它們整合至一顆或少數幾顆電源管理元件。現在,這些電源零件開始加入越來越多的功能和智慧,它們的應用範圍也逐漸跨出行動電話產業,進入各種不同類型的掌上型裝置。


晶片整合的理由對於整個電子產業都相同:把更多功能整合至更少零件後,產品成本即可大幅下降,因為製造這些產品所需的元件數目和電路板面積都會減少、產品的組裝和製造程序會更簡單、更高的系統可靠性還能縮短測試時間。此外,更高階的晶片整合度也能提高發展流程效率,進而加快製造商的新產品上市時間;由於他們能更快在市場上推出新產品,晶片整合度確保產品上市時擁有極大競爭力。



《圖一 電源系統單晶片示意圖》
《圖一 電源系統單晶片示意圖》

目前市面上已有具備高整合度、高功能之電源系統單晶片(power-system-on-a-chip)範例,如(圖一);該元件可專門支援各種行動應用的電源管理需求,包括PDA、數位相機、多媒體智慧型手機和其它產品;無論是任何系統,只要它們使用單顆鋰離子電池或是鋰聚合物電池,並且包含多組電源線路和多顆先進應用處理器,就能以此類元件做為它們的電源系統。


數位零件改變電源系統設計

高整合度電源單晶片所擁有的高階整合度以及功能,是因為在電源系統設計中加入許多數位技術。當數位電路加入電源系統後,更多的智慧即可內建至電源系統,進而減少系統主機處理器的工作負擔,使它能夠執行對於系統成敗更重要的工作。透過這樣的方式,數位加強型電源供應就成為最佳化的系統週邊,它可以連接至作業系統,以便提供監督和控制功能。


此外,數位元件的延展性也優於類比元件,因此隨著數位製程越來越精密,數位電源晶片也會變得更小,使它們所需的電路板面積隨之減少。若只利用類比技術來實作電源供應的組態設定和監督,電路通常會變得很複雜,閒置電源的功耗也更大。體積較小的數位電源元件則能提供多種工作模式,減少電源子系統的功耗,這表示電源管理系統只會消耗更少的系統電源,使得更多電力能夠提供給系統使用。某些電源系統已開始從類比轉向數位,受到這個趨勢影響,電源系統設計人員必須掌握新的設計技巧;最後,這個轉變過程會迫使電源系統設計人員以數位方式思考,並對作業系統有更深入的瞭解。


朝向數位電源的趨勢已產生多種效果,行動通訊系統處理器與電源子系統的互動方式就是個例子;過去,當電源子系統還不是那麼先進,並且主要包含類比零件時,基頻處理器必須透過不同接腳,才能把基本的開機/關機命令送給電源子系統。隨著更多數位技術用於電源元件,並使它們變得更聰明,基頻處理器和數位電源管理元件就能以更複雜的資訊和命令相互溝通。要讓這樣的晶片對晶片互動達到可接受的效能水準,處理器和數位電源管理元件之間就需要更先進的界面,例如I2C就是適合此用途、而且功能更強健可靠的界面之一。


在主機處理器和電源系統之間使用強健可靠界面的影響之一,是電源系統設計人員現在必須學習如何利用這些界面,而不僅是簡單的開機和關機線路。某些電源系統設計人員正在第一次學習如何操作界面,以使電源管理元件能和主機處理器的作業系統順利溝通;在許多情形下,這牽涉到學習新的程式設計工具和語言──當電源系統的絕大多數零件是類比元件時,設計人員並不需要使用這些工具或語言。


智慧型電源子系統

隨著越來越多智慧型功能分佈至整個電源系統,代表電源系統更需要先進的功能界面──特別是在處理器和電源管理元件之間,對於這類界面的需求更為明顯。這個功能界面必須包含所有子系統的電源管理功能,例如電池充電和監測。除了發展實體界面之外,系統還需要一套協定來支援各種子系統,而且這個協定不能帶來不必要的複雜性。


在今日的筆記型電腦中,電池管理單元會使用類似於I2C界面的SMBus界面;這個界面的應用正在擴大,把更多電源子系統納入支援範圍。為電池管理子系統增加功能界面,充電子系統和電源管理功能之間的合作將更有效率。系統主機處理器過去必須儘可能監測電池電力,同時管理整個充電程序,現在隨著更多智慧功能分佈於整個電源系統,電源管理元件可與其他電池電力量測元件以及各種電池充電零件密切合作。


電池監測管理子系統

電池監測功能最初是透過少數幾顆比較器來提供,它們連接至顯示螢幕的指示計,顯示電池剩餘電力。隨後廠商開始把類比數位轉換器嵌入系統的基頻處理器,使它能監測電池的電力狀態,最新發展則是在元件中加入智慧型電池管理子系統,如(圖二)所示。不同於其它簡單的電池監測零件,此種方式是完全整合式的電池電力量測元件,內建處理器可以計算電池剩餘電力以及這些電力所能提供的系統運行時間;此類處理器利用電壓偏移值很小的整合式電荷計數轉換器(coulomb counting converter)來量測電池的充電及放電電流,並透過內建類比數位轉換器量測電壓和溫度值,並根據這些量測結果以特定演算法來準確計算電池的剩餘電力;過去只有在筆記型電腦的系統層次,才會提供這種程度的電池管理功能。


《圖二 電池電力量測元件示意圖》
《圖二 電池電力量測元件示意圖》

電池電力量測元件能帶來更有效以及更高效率的應用系統,進而增加使用者的滿意度。最新的電池充電技術需要更強大的智慧,以便迅速完成電池充電,協助延長電池的供電時間,這也是分佈式智慧帶來的好處之一。


就使用單顆鋰離子電池的行動裝置來說,當電池達到滿電位容量(full capacity)之後,繼續充電反而會減少電池在滿電位所能儲存的電力,這會對使用者滿意度造成不良影響。舉例來說,使用者為確保行動電話的電力飽滿,當他們坐在座位上時,常會把手機放在充電基座上面;不幸的是,這種做法不但無法增加行動電話的待機時間,使用者還可能發現它們的待機時間越來越短,因使用者若一直讓電池處於非常高的充電狀態,往往會減少電池容量;而若電池為不易更換的內建式,這種現象就特別容易造成困擾。


適應性與彈性為電源子系統發展趨勢

藉由將具備智慧型功能之電池充電程序即可避免以上問題,智慧型電源管理系統不會將電池充電至它的最大容量(maximum capacity),而是監測電池的電力,等到電力使用量達到某個程度時,才開始對電池充電。充電程序結束後,智慧型電源管理系統會等待電力再度下降,當電力減少至另一個預設值時,充電程序就會重新恢復。這種方式使得充電水準達到滿電位容量附近的狹小範圍內,避免電池因為長時間處於最大充電狀態而受到損壞。


不但如此,未來具備更多分佈式智慧功能的電源子系統,應具備更多適應性和彈性,進而減少整個系統的功耗。舉例來說,未來的智慧型交換式電源子系統將能夠預測它們的操作情形,只要根據特定的電源使用模式,這些電源系統就知道如何迅速做出反應,甚至在系統需求出現之前,就先調整自己的操作模式以配合這些需求。這種技術能夠延長系統的待命和操作時間,並對使用者的要求和命令更快做出反應,進而降低功耗,提升使用者的滿意度。


擴大行動電話電源技術的應用範圍

電源系統設計還有另一項主要趨勢,就是把行動電話的設計技巧及作業方法帶給其它的可攜式應用。許多系統會和手機匯聚在一起,PDA就是個例子,這類系統很適合採用行動通訊手機率先發展的電源方法;除此之外,還有其它看起來並不相關的應用,如數位相機,也開始採用同樣的創新電源功能;目前已有將行動電話背光照明及彩色螢幕的多種電源技術轉移至PDA和數位相機的應用。如(圖三)所示之高頻率白光LED驅動元件,即可支援不同種類之可攜式設備彩色液晶螢幕之電流控制功能。



《圖三 高頻率白光LED驅動元件示意圖》
《圖三 高頻率白光LED驅動元件示意圖》

行動電話還帶動另一個發展趨勢:它可以使用多種不同電源對電池進行充電,這項功能目前也為其它應用所採用。舉例來說,新型電源管理零件可以選擇USB連接埠或是外接式電源供應器做為行動電話、數位相機或PDA的電池充電來源;而具備智慧型功能之電池充電元件,可隨著系統電源的不同自動選擇適當電源做為電池充電來源。


結語

數位晶片技術的許多優點正迅速獲得行動裝置的電源系統所採用,數位技術也開始取代電源系統設計中常見的類比零件,而在造成這股風潮的諸多原因當中,最重要的就是數位技術能提供更高階的晶片整合度。隨著數位元件成為電源系統的主要零件,新的機會也開始出現,可將讓數位智慧功能分佈至整個電源系統,進而改善電源使用率、降低功耗和提升整個主機系統的作業能力。


就許多方面而言,行動電話市場在先進數位電源技術的實作確實居於領先地位,但現在包括PDA、數位相機和行動網路家電在內,許多其它應用也開始採用行動電話率先探索的電源系統創新功能,這會讓電源供應從獨立電路變成系統週邊,並與作業系統結合在一起,使得系統可用電源能夠發揮它們的最大效益。


(作者為德州儀器電源管理產品部門應用工程經理)


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