越來越多的可攜式設備開始提供彩色螢幕、立體音訊和連結等先進功能，例如GPRS、無線網路和藍芽、以及視訊和相機拍攝。相較於臃腫笨重的可攜式設備，消費者希望產品設計不僅輕薄短小、操作方便，還有很長的電池使用壽命。消費者的喜好為電路設計工程師帶來了兩難的局面：他們必須提供更多電源給系統並產生更多組電壓，但在這同時，可攜式產品可供電源供應器使用的空間和電池容量卻日益減少。

為了滿足這些技術要求，設計人員需要高速精確的充電元件以充份利用電池蓄電力；他們還須提高電源轉換效率和降低功耗來節省電池電力，並藉由增加功能整合度和減少零件數目來適應不斷縮小的電路板面積。但是，要讓可攜式應用提供很長的電池壽命並非易事。設計人員必須考慮許多因素才能將耗電量減至最少，這包括管理多種低耗電操作模式、電源供應設計和零件選擇。

資源最佳化有助於延長電池壽命。本文所討論的五個步驟即說明如何適當使用多種電源操作模式把耗電量減至最少，文中前半部將以電池壽命約十年的煙霧偵測器為例，來說明這套程序的每一個步驟。

煙霧偵測器是利用一個光學煙霧室來偵測煙霧。煙霧室內裝有紅外線傳送器與接收器，兩者的位置已經過特別安排，使得接收器在正常情形下不會收到傳送器所發射的紅外線。發生火災時，煙霧會飄進煙霧室並反射紅外線，使得接收器得以收到紅外線傳送器所送出的訊號。紅外線接收器的接收訊號非常微弱，通常僅在20nA到200nA之間。這個訊號會由比較器和運算放大器負責偵測，比較器會將紅外線接收器所接收的訊號與電壓參考值進行比較，以便判斷煙霧室內是否有煙霧。

運算放大器會把紅外線接收器所接收的訊號放大一千萬倍。煙霧偵測器每隔五秒就會醒來一次檢查是否發生火災，如果偵測到火災就會點亮一顆LED指示燈；有些煙霧偵測器還會提供火災警鈴，但在本文這個例子裡並沒有實作這項功能。(圖一)是這套煙霧偵測器的系統方塊圖。

決定最大平均電流消耗

想要瞭解應用的功率預算，最簡單的方法是確定電池的最大平均電流消耗。計算結果將視電池壽命與電池選擇而定。本文中選擇低成本的220mAh鋰電池，它在十年電池壽命要求下的平均電流消耗等於：

22 mAh ×（1000μA/mA）/（10年）/（8760小時/年）＝ 2.5μA

首先考慮待機模式

許多電池操作型應用99％以上的時間都處於睡眠或閒置狀態。應用進入睡眠狀態後，中央處理器就會停止運作。在睡眠模式下，應用可以使用內部計時器執行即時時脈功能，或將時脈系統關機並等待外界事件發生。選擇系統待機時耗電量極低的微控制器對於節省電力極為重要，睡眠模式的電流消耗會對平均電流消耗產生極大影響。

舉例來說，煙霧偵測器每五秒就要被喚醒和偵測是否發生火災，這表示應用進入睡眠模式後仍須執行即時時脈功能。為將睡眠模式的耗電降至極低，正確選擇應用的微控制器就變得非常重要。例如在8或16位元微控制器中具備最低的待機電流消耗，或在3V待機模式下最大電流值僅1.2μA，這些功能還包括斷電重置保護（BOR）和32kHz石英晶體的電流消耗在內。

另外，使用超低耗電振盪器（VLO）還能進一步減少電流消耗。超低耗電振盪器是不需要外部零件的內部振盪器，它能在12kHz頻率下操作，典型電流消耗少於500nA。這個例子將使用外部石英晶體。一般來說，只要搭配內含2KB快閃記憶體、128 BRAM、包含兩個擷取與比較暫存器的計時器、10隻通用I/O接腳（GPIO）以及多工比較器，就可以滿足煙霧偵測器應用的最低要求。

規劃提高功能整合度

功能整合使得類比週邊不必再透過速度較慢的序列通訊埠相互溝通，可以利用暫存器加快通訊速度和提供更良好的控制能力，並避免增加外部零件，將洩漏電流減至最少。此處的煙霧偵測器會使用內部比較器，但它需外接一顆運算放大器。

待機時關掉外部類比零件

低靜態電流的零件是很好的選擇，由於系統不必為了省電而切斷它們的電源，所以也就沒有穩定時間（settling time）的問題。可攜式應用的待機時間通常很長，故可忽略穩定時間造成的影響。設計人員應考慮使用具備關機功能的零件；若零件未提供關機接腳，則可試著經由GPIO直接提供電源給零件，只要零件汲取的電流不超過連接埠的接腳規格。

由於DSP等某些零件就算在關機模式也會消耗過多電流，故在使用這類零件時應考慮透過外部開關元件控制其電源。這些開關元件可由微控制器經由GPIO來控制，並在零件處於閒置狀態時切斷它的電源。在前面的例子中，紅外線接收器訊號只有10nV到200nV，因此需要運算放大器將這些訊號放大。此時所使用之開關元件需提供關機模式和50nA最大待機電流。而如果運算放大器的穩定時間為13.5μs，則基本上可以忽略。

將正常操作模式的耗電量減至最少

除了待機電流會大幅影響平均電流消耗外，把正常操作模式的耗電量減至最少也很重要。設計人員應考慮採用下列措施將耗電量減至最少：

(表一)是煙霧偵測器的處理器和外部零件在正常操作模式下的耗電量粗略估計，注意圖中已刻意將處理器關機，比較器和運算放大器則在穩定操作狀態。紅外線傳送器是耗電最大的零件，因此電路會以高效率開啟和關閉紅外線傳送器以便將其工作時間減至最少。待機和正常操作的總平均電流消耗為1.38μA，非常接近1.2μA的最大待機電流消耗。前面提到煙霧偵測器的最大平均電流消耗須為2.5μA才能提供十年操作壽命，此處的1.38μA最大平均電流消耗顯然已能達到這項要求。

電源供應設計

電源供應系統設計是可攜式應用延長電池壽命的另一項重要因素，這包括電池和穩壓器的選擇。下列多個設計秘訣可以協助提高電路工作效率，進而延長電池壽命。

使用單一電源

在系統中使用多組電源會增加耗電與成本。多組電源需要多個穩壓器，這些穩壓器會不斷汲取電流而使得電池壽命縮短。使用多組電源也會增加成本，因為它們使得設計需要更多的電位轉換器和穩壓器。3V電源供應在可攜式應用裡相當普遍，這是因為目前的零件大都為3V電壓，它們還能提供適當的電壓範圍以確保類比效能。

《圖一　煙霧偵測器的系統方塊圖》

儘可能使用鋰電池

鋰電池的輸出電壓比其它電池都穩定，這能延長電池壽命。商用鋰電池的缺點之一在於它的峰值電流較小，因此需要高峰值電流的應用比較適合使用鹼性電池。

選擇操作電壓範圍寬廣的零件

要讓電池擁有最長壽命，就應使用操作電壓範圍寬廣的零件。所有電池的輸出電壓都會隨著使用時間而下降，例如鹼性電池就會隨著時間線性下降。操作電壓範圍寬廣的零件可協助將電池壽命延至最長，例如最低操作電壓從2.7V擴大至2.2V就能讓2顆AA電池的使用時間加倍。

使用多組電源時應採用電源管理功能

在應用上有時需要多組電源，像DSP或32位元微控制器的應用系統就是例子。這類系統的待機電流通常很大，而且多半會使用3.0V和1.8V等多組電源來支援I/O與處理器。此時最好增加一顆低成本的小型處理器來協助關掉未使用的電源。

零件選擇

市面上的零件種類繁多，前面也提到零件選擇是延長電池壽命的重要因素。下列調查有助於設計人員選擇最合適的微控制器：

待機模式的影響因素

正常操作模式的影響因素

回答下列問題有助於評估不同的類比零件是否適用

上述的多種低耗電模式管理、電源供應設計和零件選擇步驟雖非萬無一失，但希望它們能提供一些可靠準則，使下一代可攜式應用設計擁有最長的電池壽命。

（作者為TI德州儀器應用工程師）

《表一　處理器和外部零件在正常操作模式下之耗電量》

延 伸 閱 讀

本文介紹了各種通訊設備對電池的要求，以及不同充電電池的優缺點及其適用場合，以便幫助工程師為可攜式設計選擇最佳電池方案。在設計可攜式和無線通訊設備時，工程師有多種電池解決方案可以選擇，包括鎳氫電池（Ni-MH）、鋰離子電池、聚合鋰電池（PLB）等。相關介紹請見「為可攜式通訊設備選擇最佳電池方案」一文。 使用充電式電池的產品數量與日俱增，同時產品的體積不斷縮小，複雜度卻持續增加。充電電池也一直在演變中，因為電池廠商一直在創造能夠迎合快速變動市場需求的產品。例如，提高電池電壓，改變外形和體積，增加能量密度等。你可在「可攜式設備的電池管理解決方案」一文中得到進一步的介紹。 選擇使用PNP電晶體或PMOS元件之LDO調節器的輸出電容器並不容易，因為這些架構通常有特定的ESR需求。本應用文件說明為何要選擇較高ESR的電容器，如何進行選擇以及決定穩壓器是否穩定的方法。在「PMP可攜式電源」一文為你做了相關的評析。

市場動態

NS與ARM共同推出PowerWise Interface介面技術。兩家公司更會進一步合作，促使業界採用這個開放式介面，作為系統電源管理的標準介面。PowerWise介面技術為數位處理器及電源管理積體電路的連結提供一個開放的產業標準，使可攜式電子設備可以迅速採應用先進的電源管理解決方案。 相關介紹請見「美國國家半導體與ARM發表PowerWise Interface開放標準規格」一文。 沛亨半導體是國內最早投入電源管理IC設計的廠商，多年前成功的進軍日本市場，是國內業者中唯一在日本市場有顯著斬獲的廠商。目前日本市場的營業額佔整體營業額比重約8％，近來也派遣研發團隊到日本或韓國，與客戶直接洽談產品規格，迅速掌握客戶需求，未來在日、韓等市場的佔有率可望持續提升。你可在「沛亨電源管理IC在可攜式產品的應用」一文中得到進一步的介紹。 TPS65020電源管理元件整合多種高效能類比方塊，可提供多組電源給使用單顆鋰離子電池的應用，如智慧型手機、PDA、數位相機、以及可攜式音訊和媒體播放機。這顆元件內含3組同步降壓直流轉換器和FET電晶體、3組線性穩壓器、以及用來提供完整可程式能力。在「TI整合式電源管理元件提供高效率電源」一文為你做了相關的評析。