可攜式產品涵蓋音訊、視訊及無線通訊產品。不斷增加的功能需求，使電池供電的電源管理變得愈加複雜，同時電源轉換中功率損耗產生的熱量對設計工程師造成新的挑戰。本文從系統電源管理的角度，分析熱量的產生並結合實例，提出因應的熱管理方案。

現今的可攜式產品涵蓋各式各樣的音訊、視訊及無線通訊產品，如蘋果的iPod MP3播放器、可攜式多媒體播放器（PMP）、身歷聲藍牙耳機和3G手機。最新的3G手機，除具有通話的基本功能外，還可以流覽網頁、發送電子郵件、拍攝數位照片、玩遊戲以及播放視訊流。PMP採用大容量硬碟，可以儲存和播放電影、音樂，拍攝和流覽照片，錄製/重播電視節目。PMP日益成為掌上娛樂中心。

(圖一)為可攜式多媒體播放器（PMP）內部功能簡圖。基於ARM+DSP的方案，實現音/視訊編解碼，同時支援多種外接設備和存取媒體，以及有線和無線網路連結。

《圖一　可攜式多媒體播放器（PMP）內部功能簡圖》

為支援不斷增加的功能，PMP電源管理電路變得越來越複雜。圖一中的電源管理單元包含鋰電池充電、電量監測以及將電池電壓（2.8V-4.2V/節）轉換為系統各晶片所需工作電壓的電壓轉換元件。電源的轉換效率不可能達到100％，在轉換過程中必定存在功率損耗，這種損耗的功率被轉換為熱量。

可以採用低壓差線性穩壓器（LDO），電荷泵和基於電感的DC/DC轉換器將電池電壓轉換成系統所需的不同工作電壓。(表一)列出了三種電壓轉換元件的優缺點以及產生熱量的大小。

從表中可以看出，低壓差線性穩壓器（LDO）只能將輸入電壓轉換為更低的輸出電壓。在實際應用中，其功耗為P=（VIN-VOUT）IOUT。當輸入與輸出電壓相差較大，且輸出電流也大的情況下，LDO本身消耗的功率就非常大，並產生相應的熱量。LDO特別適合於低電流、壓差較小或對電源雜訊要求較高的場合。

電荷泵採用電容來實現能量轉換，可實現反壓、倍壓和穩壓等變換，效率為80％左右。受電容容量及尺寸限制，電荷泵輸出電流和電壓都有限。在可攜式產品中，電荷泵可用來驅動並聯的白光LED或做為拍照時的閃光燈。

DC/DC轉換器採用低阻抗的開關（如MOSFET）以及電感等儲能元件，實現降壓和升壓等轉換。DC/DC轉換器減小了電壓變換過程中的功率損耗，效率高達90％以上。同時開關頻率很高（可達2MHz以上），減小了外部電感和電容的尺寸。合適的DC/DC轉換電路在系統中產生最低的熱量。

可攜式產品為便於攜帶，要求外形小、重量輕。產品內只有密集封裝的元件和印刷電路板，通常不會使用風扇進行冷卻。系統中電源管理部分和其他功能單元（硬碟和螢幕等）產生的熱量，對設計工程師提出新的挑戰。對可攜式設計中的熱管理，應採用系統的方法，分析熱量的產生，並從元件的選擇，系統內溫度監控和熱量管理等方面尋求相應的解決方案。以下以PMP為例來探討可攜式設計的熱量管理。

系統熱分析

PMP採用單節鋰電池供電，(圖二)為系統中能量的流動線路圖，紅色箭頭顯示電流的流動方向。

《圖二　PMP系統中能量流動線路圖》

從分析可知：鋰電池充電電路、鋰電池、電壓變換器件（LDO和DC/DC轉換器）、ARM+DSP的核心處理晶片和硬碟在工作時都消耗電流，並產生功率損耗。可分別計算出這些元件的功率損耗和產生的熱量。值得注意的是，在充/放電過程中，鋰電池內部發生化學反應，也會產生熱量。

熱管理解決方案

一旦瞭解系統中熱量產生的源頭，就可以在電路設計和元件選擇上全盤考慮，以優化的方案，給系統提供電源管理，同時提供可靠的熱管理。(圖三)從熱管理的角度提出解決方案。圖三的方案可分為鋰電池充電及電量監測、電壓變換、系統溫度監測和熱管理三部分，結合鋰電池充電、電量監測、LDO及DC/DC轉換器、溫度感測器和低功耗單晶片等產品，實現可靠、智慧、高效的熱管理。

《圖三　針對可?式設計的熱管理方案》

鋰電池充電及電量監測

PMP中鋰電池採用線性充電，還採用電池電量監測晶片，向系統提供精確的容量等資訊。這部分電路中的熱量產生源包括：充電過程中線性充電IC的功耗；電流過流保護MOSFET以及充/放電過程中，鋰電池內部化學反應產生熱量。線性鋰電池充電晶片充分考慮到熱管理方面的需求：

另外，單節鋰電池電量監測晶片，透過SMBus介面與系統通信，提供電池電量及電壓、電流、溫度等資訊。

電壓變換

透過對三種電壓變換元件的分析，在可攜式應用中提高電源轉換效率至關重要。從熱管理的角度看，盡可能選用集積度較高，封裝散熱效果好的LDO。圖三中TC1302是3x3mm DFN封裝的雙路LDO，具有300mA和150mA輸出電流，適合向CMOS照相模組、RF電路提供低雜訊供電電壓。

DC/DC轉換器因高效能而成為可攜式電源轉換的首選。高集積度的同步降壓或同步升壓元件，提供超過90％的效率。最新的DC/DC轉換器在性能提升的同時，也有將DC/DC轉換器與LDO、鋰電池充電、電量監測、電荷泵等功能單元整合在一個晶片內，構成為一個靈活而複雜的電源管理單元（PMU）。

圖三中的TC1303是一款高整合電源管理晶片，包含500mA同步降壓變換器，300mA LDO和Power-Good功能。TC1303中的同步降壓變換器，選用低導通電阻MOSFET和2MHz開關頻率，最高效率可達95％，同時具有PFM/PWM模式自動切換功能，提高輕負載時的轉換效率。TC1303採用3x3mmDFN小封裝，DFN封裝熱阻(JA為41℃/W，具有優異的散熱性能。

系統溫度監測

整個系統中的晶片和模組，特別是CPU/DSP、FPGA或硬碟等關鍵元件，在工作時會產生熱量。系統過熱，會降低晶片的性能，甚至導致故障。對整個系統各部分溫度進行監測，能夠瞭解其局部的溫度變化，在溫度過高或過熱時給使用者提示或警告。在圖三所示方案中，電量監測晶片PS810能夠提供即時電池溫度資訊。對CPU/DSP、FPGA或硬碟等元件，則可考慮增加溫度感測器。矽晶片式溫度感測器安裝在系統PCB上，或置於CPU/DSP、FPGA或硬碟附近，將溫度轉換為線性輸出的電壓；也可直接轉換成資料，通過I2C介面送到MCU處理。

雖然CPU/DSP功能非常強大，但是不斷增加的功能和音/視訊編解碼運算，使CPU/DSP負荷過重，甚至超載。選擇低功耗和少引腳的MCU，將電源管理和熱管理功能交給MCU處理：控制充電和每路電源的開/關，透過散佈在系統各部分的溫度感測器來監測系統溫度，利用I2C/SMBus等介面與電量監測晶片和核心處理器進行通訊，實現智慧和動態的電源管理。

結語：

本文從系統電源管理的角度，分析可攜式設計中熱量的產生、元件的選擇以及方案的整體考慮，並結合PMP設計實例，介紹電源管理及熱管理方案。在實際設計中，還需要在元件擺放、PCB布板等方面著重考慮，甚至借助熱模型和熱仿真分析軟體，來達到產品的最佳熱設計。（作者任職於Microchip Technology類比和介面產品）