目前單晶片系統設計（System-on-a-Chip；SoC）解決方案在滿足這些挑戰的過程舉足輕重。額外的功能，例如內含背光的彩色LCD顯示螢幕、聲音子系統、相機功能、無線區域網路（WLANs）、藍芽（Bluetooth）通訊與其他整合式的無線電/類比功能，皆會耗用原本為高階消費者應用程式而保留的電力。隨著對整合聲音、資料、網路瀏覽與聲音/影像播放功能的需求不斷增加，如何提高電力管理效能便成為首要任務。(圖一)便說明了這類產品在研發上不斷增加的功能與對電池效力不斷增加的期望值。

上一代處理器的省電模式

通常處理器中皆預設了省電模式，包含打盹模式（doze mode)、脈衝模式（burst mode)與休眠模式（sleep mode)。在PDA的組態設定中，系統可以接受使用者要求的指令（例如螢幕觸控輸入），然後建立待命模式以準備接受下一個指令。在待命時，可以透過已預設打盹模式的處理器，只讓LCD螢幕維持在啟動的狀態，而此待命狀態可藉由中斷事件令而中斷。脈衝模式通常用於資料取得應用程式中，當處理器的運作頻率達到最高（同時這也最消耗電力）可以藉由減緩CPU作業週期（CPU duty cycle）而降低電力耗損。同樣地，脈衝模式也可以藉由產生中斷事件來關閉。當電池遇到重要性低的事件或被關閉時，處理器便可被設定為進入休眠模式，此時除了即時時鐘（real-time clock；RTC）功能之外，其他功能都會進入閒置而不使用的狀態。通常為使RTC維持正確的日期與時間只需要不到1μA的電力。因此省電功能便只能由內嵌的處理器韌體程式碼來執行。

《圖一　PDA與電池平均使用時間的發展》

透過應用程式處理器節省電源的設計考量

雖然應用程式處理器已經成為SoC解決方案的萬靈丹，但是低耗電量設計考量的額定功率，現在也已經是以每兆赫有多少毫瓦特（milliwatts per Megahertz；mW/MHz）的方式來計算了。而這些應用程式處理器可能還有最低0.08mW/MHz，最高達0.42mW/MHz的比例。為支援額外的省電功能，它可能包含整合式的智慧型LCD顯示螢幕，擁有內部記憶體供影像緩衝之用，以及獨立的控制器以減少CPU更新螢幕上影像的週期。其他則透過0.13微米製程來製造，因此可以降低內部I/O的耗電量與核心電壓，並提供漏電流控制。其他技術則包括透過電源管理軟體來降低CPU作業週期與運作頻率。

採用這些技術的其中一個範例便是Intel的ARM-based、PXA27x XScale處理器架構，可透過智慧型切換至多種低耗電量模式，在運算中直接調整電壓與操作頻率，同時維持應用程式的執行效能。透過其六種運作模式（一般、閒置、深層閒置、待命、休眠與深層休眠），PXA27x便可提供更高的省電效率。PXA27x架構需要最多10個獨立電源區，來控制可獨立開關的電源。降低處理器輸入核心電壓與運作頻率，便能夠降低高達兩倍的電源消耗量。通常處理器皆有如下方程式所示，與輸入核心電壓的平方值成比例的電力消耗值：

P＝C × (V2－f)

其中

C＝晶片電容量

V＝核心電壓

f＝頻率。

由於PXA27x解決方案擁有省電的優點，因此省電管理IC（power management IC；PMIC）解決方案便會被一長串的供應電壓需求阻礙，這些電壓包括1.1V、1.3V、1.8V、2.5V與3.3V。為了支援動態電壓調整功能，PMIC需要一個0.85V至1.55V的額外可程式化輸出電源以提供核心電壓所需的電力。可程式化的範圍將會有50mV至100 mV的步階調整數值（請參見圖二）。PMIC可透過一個普通的I2C匯流排連接至可程式化的暫存器（register），來簡化大部分應用程式處理器的介面。

選擇充電式備用電池

熱門的單電池鋰離子（Li-Ion）電池可提供3.6V的額定電壓，電壓範圍由2.7V至完全充電的4.2V。可攜式電源設計使用的其他電池類型則包括鋰聚合物（Li-Pol）、鋰錳二氧化物（Li-MnO2）、硬幣式電池（coin-cell batteries）與鎳氫（Nickel-Metal Hydride；Ni-MH）電池。鋰離子電池提供了最佳的單位重量密度，但是通常都因為其不穩定性而需要使用保護電路來保護電池。鋰聚合物電池則有薄型化的幾何外型，且沒有易燃的問題。智慧型手機與行動電話擁有較機械化的彈性，可採用比PDA薄型化尺寸所採用的電池密度更高的電池。

選擇電源管理裝置

在評估過電源要求的清單之後，可以看到兩個主要的電源拓樸類型：

《圖二　驅動應用程式處理器中的核心電壓的智慧型電源管理方式》

• ●可程式化的低壓降（LDO）調節器：供數位載入與無線電載入之用，以及一個固定的LDO供備用電池電壓之用；





• ●可程式化的直流-直流切換調節器：供輕載與重載之用。

對同時擁有低輸入電壓與低輸出電流的多插槽來說，使用CMOS製程技術將數個LDO整合到單一晶片中乃是最佳的選擇。LDO一般皆可支援100mV的壓降。為了驅動RF電路，LDO也必須能夠具有低輸出干擾，例如每個已知頻寬為100μVRMS。並且每個LDO也必須都有啟動/關閉功能。當LDO被停用時，靜止的電流便應該在μA的範圍內以延長電池使用時間。

選擇以高效率與高電流驅動為基礎的降壓切換（buck switching）直流-直流穩壓器，便能為可攜式電源提供一個平衡穩定的解決方案。為了將電力耗用速度降到最低並延長電池使用時間，最好是選擇可支援高達90％或更高效率的PMIC裝置。為了達到這個目標，PMIC裝置便必須透過同步整流來將切換損失現象降到最低。

這可利用內部MOSFET來完成，而不是藉由效率較低的傳統Schottky兩極體來完成。諷刺的是，MOSFET有較高的順向電壓，這是因為其內部本體二極體產生的問題，可利用Schottky二極體並聯，來改善順向電壓的損失。當然，在可攜式電源應用中，將MOSFET整合至PMIC中乃是一項標準規格。切換降壓穩壓器必須保留其藉由管理作業週期來驅動的電流輸出。當切換調節器驅動較重載時，它便可以在固定的頻率上使用PWM模式。在輕載中，切換調節器便可使用PFM或脈衝跳越模式切換為較低的頻率。降壓調節器必須能夠在100％作業週期的情況下運作，以便在輸入電壓已降至最低的電壓下，也同樣能在有限的時間下支援輸出電壓的低損失控制功能。如同在LDO部分中所討論的一樣，切換穩壓器也需要有啟動/停用功能。

另一個關鍵功能便是擁有板上電池監控功能，以及可在備用電池與由LDO供電的VCC-BATT之間自動切換的備用電池充電器。幸運的是，現在已經有可支援上面大部分功能的整合式電源管理解決方案了。相較之下，之前的解決方案皆需要多個PMIC，且無法支援動態電壓管理功能，而新發佈的解決方案則均提供以SoC解決方案為動力的解決方案。

《圖三　應用程式處理器與系統周邊設備的電源設計考量》

額外的系統設計電源要求

應用程式處理器通常可支援其他的外接周邊裝置，包括外接的SRAM、藍芽（Bluetooth）、無線區域網路（WLAN）/802.11x、相機介面、MMC/SD記憶卡、memory stick記憶卡、USB介面、外接式繪圖處理器、LCD顯示器以及含有背光的顯示器，如(圖三)所示。藉由將額外的電源供應要求與這些周邊裝置整合起來，設計工程師便可以做出明智的決定，來決定是否要讓切換式的直流-直流調節器與/或LDO能夠為額外的供電架構提供電源。

（作者為NS美國國家半導体首席應用工程師）

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