在過去二十年間，便攜式電子設備的迅速普及推動電源芯片以令人難以置信的速度增長，并且使電源半導體市場成為首當其沖的重要市場。二十年前，幾乎所有的電源管理芯片 (IC) 均為各種管理、監(jiān)控以及轉(zhuǎn)換線路電源（來自于電網(wǎng)的交流電電源或者滿足半導體器件要求的直流電電池裝置）的器件。

由于包括手機、便攜式媒體播放器、數(shù)碼相機、個人數(shù)字助理、便攜式醫(yī)療設備、移動視頻游戲及平臺等許多類似設備在內(nèi)的便攜式電池供電的消費類電子應用的爆炸式增長，這種狀況已經(jīng)發(fā)生了翻天覆地的變化?，F(xiàn)在，至少有一半的電源管理半導體器件被集成到便攜式設備中，這一改變的另一方面還體現(xiàn)在鋰離子 (Li-Ion) 電池數(shù)量的迅猛增長上。自 2001 年以來，全球生產(chǎn)的鋰離子電池數(shù)量增長了四倍多[1]。

事實上，對于移動電子系統(tǒng)的需求以及隨之而來的對更多便攜式電源解決方案的需求，才是繁榮的電源管理集成電路市場背后的推動力。半導體產(chǎn)業(yè)最近幾年的總體年增長率約為 7%，而自 2002 年以來電源芯片一直以 15% 的總體年增長率持續(xù)增長[2]。并且，電源半導體有望以這種速度持續(xù)增長到 2011 年[3]?？傮w而言，由于電源
設備的出貨量一般會超過半導體器件，因此，電子系統(tǒng)的電源芯片（更確切地說也就是電池供電的移動應用）將會顯著增長的說法是勿庸置疑的。

便攜式應用的挑戰(zhàn)

當您對這種具有高功效、小尺寸特點的便攜式電源的迫切要求以及當今便攜式電源設備提供的復雜功能進行了解時，您就會很容易地發(fā)現(xiàn)這種發(fā)展趨勢的根源所在。在許多移動系統(tǒng)中，要滿足所有存在于一個單個移動消費類電子設備中的各種電源的要求就需要使用多個電源芯片。

例如，在二十年前，一個電子系統(tǒng)中的電壓軌數(shù)量很少會超過三個或者四個。今天的手機常常會擁有多達 14 個或者更多的電壓軌。膝上型電腦通常具有 11 個或者更多的電壓軌。一個電壓“軌”即為一個由電源裝置 (PSU) 提供的單電壓。每一個電壓軌通常要求一個降壓（減少）或升壓（增加）、調(diào)節(jié)以及排序的新電壓電平轉(zhuǎn)換。這種電壓軌的增長可以被部分地歸結(jié)為摩爾定律，即集成電路的密度每兩年翻一番。

隨著芯片制造工藝幾何構(gòu)型在過去的數(shù)年中變得越來越小，電壓電平也急劇下降，以便支持該新型工藝技術(shù)。那種大多數(shù)半導體均為 5 伏電壓器件的日子一去不復返了。例如，單個手機中的芯片擁有數(shù)個低至 0.9 伏（用于數(shù)字基帶器件）和高至 30 伏（用于一系列為鍵盤區(qū)域和顯示器提供背光照明的發(fā)光二級管）的電壓電平。

便攜式系統(tǒng)中芯片的低電壓電平也對系統(tǒng)電源設備的復雜性和精度提出了挑戰(zhàn)。幾年前，大多數(shù)芯片的額定電壓電平為 5 伏，電源通常被調(diào)節(jié)至 5 伏的 5% 或+250 mV 以內(nèi)。而在當今許多便攜式系統(tǒng)中，一個 1.5V 芯片要求電壓調(diào)節(jié)在其 1.5V 電平的 1.5% 以內(nèi)或者+22 mV 以內(nèi)。這表明電壓調(diào)節(jié)精度增長了 10 倍。

充電

便攜式電子應用由電池供電并且為非線路供電的情況增加了系統(tǒng)中電源子系統(tǒng)的復雜性。例如，對一節(jié)電力耗盡的鋰離子電池進行再充電并非是一個簡便易行的過程。使用一個錯誤的充電曲線會縮短電池的有效使用壽命。

此外，一個完整的鋰離子電池充電過程由三個截然不同的階段組成。在第一個充電或預充電階段，電池經(jīng)過一個短暫的時間段才能獲得預充電。第二階段以恒定電流為特點，該階段出現(xiàn)在經(jīng)過一個約為整個充電周期的 20% 到 30%相對較短時間段之后。該恒定電流充電階段能將電池充電至其全部電量的大約 70% 到 80%。最后充電階段以恒定電壓為特征。這是三個充電階段中最慢的一個階段，所需時間占完成整個充電過程時間的 70% 到 80%。恒定電壓充電階段完成電池電量存儲容量的最后 20% 到 30%。為鋰離子電池監(jiān)控充電過程的電源組件必須能夠管理所有這些階段，以最大化電池充電效果，并且確保最佳的電池使用壽命。

根據(jù)便攜式設備的要求，有幾種不同類型的電池充電設備。在那些成本控制比效率更為重要的應用中，線性充電器提供了一種卓越的解決方案。然而，盡管開關充電器比線性充電器更加昂貴，但其功效至少能達到 90%。

除充電過程本身以外，電源子系統(tǒng)還必須處理其它一些與電池相關的問題。例如，一些便攜式系統(tǒng)具有替代電源（例如：能夠被用于電池充電的 USB 端口等）。便攜式媒體播放器可能會以一種通過連接至壁式插座的一般方法來進行充電，或者，作為另外一種選擇，這種設備也可以通過將其 USB 端口連接到另一個設備（例如：膝上型電腦）的 USB 端口來進行充電。

電源通道管理是一項獨特的功能，其容許便攜式系統(tǒng)在為電池充電過程中正常工作。電源子系統(tǒng)必須具有足夠的復雜程度，以便在將電源用于運行系統(tǒng)的同時對電池進行充電。其它一些電池特征還可包括可能由短路引起的過壓或者過電流保護。如果這些異常因素被忽略，那么它們將會破壞系統(tǒng)或電池，也可能對系統(tǒng)和電池都造成破壞。同時，還要求對電池進行身份認證，以避免在便攜式系統(tǒng)中安裝不合規(guī)格或來自配件市場的低質(zhì)量電池。因此通過在封裝中安裝一個身份認證芯片，就能夠使該系統(tǒng)保證用高質(zhì)量的電池組為系統(tǒng)的運行提供電力。

另一個便攜式電源子系統(tǒng)的重要特性是監(jiān)控電池的充電電平，并將該信息傳達給用戶。這就使得用戶可以準確地知道系統(tǒng)在沒有進行再充電的情況下還能工作多長時間。如果準備在電池完全耗盡電量以前對其進行充電，那么這樣的信息就至關重要。鋰離子電池的放電特性使此項任務變得更為復雜，并且使具有相當復雜程度的電池監(jiān)控功能成為必要。

如圖 １所示，一個簡單電壓監(jiān)控功能并不能精確地反映出電池組的剩余使用時間量。容易讓人產(chǎn)生誤解的是，對于大多數(shù)放電循環(huán)而言，電壓監(jiān)控會對在電池容量中間范圍進行的鋰離子電池充電進行電平評定。但是，一旦電壓下降至某一電平，電池上的剩余電荷便會在一個非常短的時間段內(nèi)急劇下降。更為復雜的監(jiān)控技術(shù)，例如：TI 的 Impedance Track™ 技術(shù)，通過諸如電池的老化程度
、溫度、充電循環(huán)次數(shù)以及循環(huán)深度等許多方面來對電池進行描述。通過該信息，阻抗跟蹤技術(shù)使用一種復雜的板上算法來計算出剩余電池容量，其誤差可在 1% 以內(nèi)。

分割電源子系統(tǒng)

許多便攜式系統(tǒng)都是基于一般由數(shù)個不同部分或分區(qū)組成的架構(gòu)。并且，每一個分區(qū)均可以有其自己的一套電源要求。滿足這些便攜式系統(tǒng)中不同部分的個別需求常常要求專門的便攜式電源芯片。

由于其輸出功率的低電氣噪聲，線性穩(wěn)壓器芯片通常被安裝在便攜式系統(tǒng)的射頻 (RF) 分區(qū)中。許多線性穩(wěn)壓器均提供快速開啟、調(diào)節(jié)和射頻運行需要的低噪聲。由于不需要電感，因此它們的體積都非常小，只占用少量的板級空間。

為了實施不同的照明功能，例如：數(shù)碼相機的照相閃光、為便攜式攝像機提供持續(xù)的燈光照明或者液晶顯示器和鍵盤區(qū)的背光照明等，可能同樣會需要數(shù)種 DC/DC 升壓轉(zhuǎn)換器。一個有機液晶顯示器（有機發(fā)光二極管）的明亮色彩也可能會要求一個某種等級的電壓轉(zhuǎn)換。

處理器芯片（包括通用處理器和數(shù)字信號處理器 (DSP)）均有一套其自己的電源規(guī)范。大多數(shù)處理器都是高電流、低電壓器件，要求經(jīng)過嚴格調(diào)節(jié)的電源。為了將便攜式系統(tǒng)的 3.3V 電源降低至處理器的 1.2V 電平，電壓轉(zhuǎn)換是最常用到的一種方法。通常，這就要求一個可以提供大電流的高效 DC/DC 轉(zhuǎn)換器。

當然，一些高度復雜的便攜式系統(tǒng)要求電源設備對所有或部分電源子系統(tǒng)進行監(jiān)控或管理。例如，電壓監(jiān)控器件可以監(jiān)控電源子系統(tǒng)，在一些響應事件發(fā)生時開啟或者關閉該子系統(tǒng)。一個電源管理單元 (PMU) 將許多可能由多個分立電源器件執(zhí)行的電源功能集成到一個芯片中。這種集成節(jié)省了成本、板級空間和設計時間。

向前發(fā)展的電源技術(shù)

便攜式電源技術(shù)的復雜性及寬泛范圍的多樣性反映出，不計其數(shù)的移動電子系統(tǒng)已經(jīng)成為當今生活的主要產(chǎn)品。這一“便攜式 (on-the-go)”電子產(chǎn)品的發(fā)展趨勢在任何時候都不會立刻減緩。再者，如果過去能預示未來的一切，那么便攜式電源產(chǎn)業(yè)將會不斷地迎接并且戰(zhàn)勝當前新應用和新技術(shù)中出現(xiàn)的挑戰(zhàn)。

參考書目

[1] 《針對便攜式應用與 HEV 的 NiMH 鋰離子聚合物電池的全球市場升級》，2007 年 3 月，Institute of Information Technology, Inc.

[2] 《Databeans》，2006 年 10 月，全球標準線性市場模擬電源芯片

[3] 《Databeans》，2006 年 10 月，全球標準線性市場模擬電源芯片