由于功能整合以及外型轻薄的趋势，最新的便携式装置体积越来越小，功能越来越多，在在突显出电源管理设计的重要性。便携式装置基本上包含微处理器、输入输出接口设备、发光二极管 (LED) 背光源、闪存或／及硬盘机、数字与模拟电路。这些功能方块的电源需求各不相同，系统设计者所面对的挑战，就是提供符合电源规格的嵌入式电源管理方案，以使这些功能方块正常运作，并将功率损耗的情形降到最低，以延长电池寿命。除了分析电源与系统规格，本文着重于介绍电源管理电路的设计方式，以满足微处理器、背光，以及硬盘机 (HDD) 的挑战及需求。
微处理器的电源供应
微处理器是一种核心装置，处理所有的数据与指令，大多数微处理器采用数字 CMOS 电路，兼具切换及静态功率消耗。数字电路的每一次转换，都会对其输出电容进行充电及放电，因而产生功率损耗。
微处理器电源供应最常使用的电压范围是 1.0-1.5V，由电压规格来看，大部分微处理器的电压耐受度都相当低，在稳定状态与负载瞬时中都小于 100 mV。微处理器的低运作电压与高电流需求，再加上极为快速的电流回转率，让电源管理设计者面临重大挑战，除了要满足电压瞬时的严格需求，还有系统功率配置中的高功率转换效能，以及电池的运作时间。微处理器通常消耗系统中总功率的 30%～40%，在大部分的应用中，便携式装置会使用锂离子电池进行供电，一般会使用 LiCoO2 阴极材料的电池，其运作电压范围介于 3.0V～4.2V 之间。
首先，要设计在异步模式中运作的降压转换器，以免任何负电感电流将循环电流相关的传导损失降到最低。此外，通常会使用脉冲频率调节或是脉冲省略模式，将闸极驱动与切换损失降到最低。德州仪器所开发的节能模式属于特殊技术，可降低切换频率，并关闭部份控制电路，在低于 150μA 负载的情况下，静态电流最低可达18μA，并达到70%以上的效能。
不过这样却带来另一项挑战，也就是当负载瞬时由轻负载转换至重负载时，启动PWM控制器至进行完整功能的延迟时间。在延迟时间过程中，输出电容必须为负载提供电源，相较于固定频率PWM转换器，这样会发生额外的电压骤降情形。如何才能减少省电模式所带来的副作用？电压规格可让微处理器拥有 ±5% 的整体耐受度，包括稳定状态误差及负载瞬时。可以在轻负载时提高输出电压约 1%，以补偿因为控制电路启动延迟，而产生的额外电压下降情形。事实上，在轻负载时提高输出电压，是便携式处理器普遍使用的方法，称为负载线调整。这项技术可增加瞬时电压摆幅，因此可以补偿额外的电压骤降，或使用较小的输出电容。此外，电压瞬时响应相当大程度取决于控制回路设计与电感设计，要如何选择正确的电感，并设计控制回路带宽，以达成快速瞬时响应，符合电压瞬时规格，且同时维持高效能？
步进负载瞬时的电压瞬时响应，如果由小于 1 mA 到完全负载，应该会在 ±3% 之内。如果步进负载应用至系统及输出电容，则电压瞬时就会与等效串联电阻 (ESR) 及切换延迟有关。
前两个项目的贡献相当稳定，一般会使用小型的ESR陶瓷电容，因此透过回路设计与电感值的优化，将输出电容器的电压瞬时降到最低，可说是一大挑战。输出电容需要在瞬时响应期间供应负载电流，以微处理器目前的需求来说，其回转率要比降压转换器电感电流的回转率高出许多。负载电流与电感电流之间的差异，将决定输出电容所需提供的电荷。如果能减少不平衡的电荷，就可以降低瞬时电压，而将输出电容最小化。电感电流回转率越快，瞬时响应就越快，电压下降情形就越小；因此，瞬时响应取决于电感电流如何跟随负载电流。
ΔDMAX 为负载瞬时期间最大的负载周期增加，显示小电感可以达到高回路带宽。结果显示可达成快速负载瞬时响应，以满足瞬时电压规格。图3显示在小电感及大电感情形下的输出电压瞬时响应，说明了电感越小，负载瞬时响应就越快。
背光白色 LED 的电源供应
背光会消耗大量功率，而对便携式装置的电池寿命造成影响。这些应用装置的显示背光，大多是使用 3～6 个白色 LED 所构成的数组，这些白色 LED 通常会以 20 mA 左右的电流驱动，以获得最佳的亮度及色彩。其中主要的挑战为：1）如何让不同的 LED 达到相同亮度；2）让调光功能发挥最佳效果，同时维持高效能。
要克服第一项挑战，LED 驱动器需要提供相同的驱动电流。只要将 LED 用串联方式连接，即可让每个 LED 流过相同的电流量，轻易达成目标。有两种主要的拓扑驱动 LED ：切换式电容／电容帮浦，以及升压转换器。电容帮浦使用电容将能量转移至输出，并能提供非常小尺寸的方案。电容帮浦必须整合至少4 个MOSFET，所以只在驱动200 mA以下的应用装置时，才具有成本效益。如果输出电压与输入电压未具整体关联性，则相对上电容帮浦的效能并不高。
LED 提升电压的能力有限，因此通常以并联方式连接，这需要正确的电流镜，才能达成相同的驱动电流。电感升压转换器使用电感将能量转移至输出，其电压增益最多可达输入电压的 10 倍，因此可轻易驱动 6 个串联的 LED，并达成 85 % 以上的效能。不过电感升压转换器相对上需要较大电感，也可能出现电磁干扰 (EMI) 方面的设计困难。
第二项满足系统规格的设计挑战，是针对许多便携式装置，提供所需的正确调光功能。目前有三种主要的调光技术：PWM、模拟调光，以及数字调光。
PWM调光使用低频率的数字PWM信号，反复开启与关闭白色 LED 驱动器，藉由调整PWM信号的脉冲宽度，即可达到 LED 调光的效果。这项方法的主要优势，是可提供高质量的白光，并具有高效能。在手机系统中可以使用I/O端口产生PWM信号，以启用或停用 WLED 驱动器。
不过 200Hz～20kHz之间的低调光频率，可能会产生恼人的噪音，为了避免产生噪音，白色 LED 驱动器应能提供人类听觉范围以外的调光频率。图 4 及图 5 显示典型的应用电路与其切换波形。
模拟调光会调整参考电压，以决定通过 LED 的电流量，PWM信号与低通滤波器，则用于设定调光阀值。同样地，调整负载周期最终将改变平均参考电压，达成调光的目的。这种方式的缺点，在于进行深度调光时效能偏低，导致电池使用时间较短。另一项主要挑战在于发光质量，如果 LED 驱动电流低，LED 的发光质量就会非常差，所发出的灯光与自然白光相差甚远。
最后一项调光方式为数字调光，这种方式需要特定应用的数字接口，例如I2C，以及单线接口。白色 LED 的亮度则会弹性调整，依据应用需求，将数字信号编程至驱动器。支持数字调光的TPS61060，可节省处理器功率，延长电池寿命。
硬盘机与I/O装置的电源供应
硬盘机 (HDD) 与许多I/O装置，通常使用 3.3V 的电压轨。因为单一锂离子电池的电压范围介于 3.0- 4.2V，因此需要有升降压功能，才能完整运用现有能力，延长电池寿命。图 6 为 H 桥升降压转换器。如何选择正确的控制方式，达到高效能的目标？这里提到的 H 桥升降压转换器，有两种基本的控制架构。
第一种控制方式，是在传统的升降压模式下操作转换器。如果同时开启 Q1 及 Q3，输入电压就会应用在整个电感上，而能量则会储存于电感之中。输出电容器则供应功率至负载。如果关闭 Q1 及 Q3，开启 Q2 及 Q4，电感电流则会流经 Q2 及 Q4，并将其储存能量输送至输出。
为了进一步克服延长电池寿命的挑战，并采用最小的尺寸方案，将会使用整合的 N 通道MOSFET，作为首要的切换MOSFET。这种作法可进一步降低传导损失，因为在一定的硅芯片大小情况下，N 通道MOSFET的导通电阻比 P 通道MOSFET低。不过如果要驱动 N 信道MOSFET，需要使用电容帮浦电路，以提供高闸极电压。德州仪器所开发的创新技术，可将这些电容帮浦电路整合为硅芯片，同时让硅芯片的整体尺寸小于 P 通道MOSFET，而能够以最小的尺寸方案，达到最高的效能。图7至8为典型的应用电路，以及不同负载状况下的效能。其中数据显示，最高可达到 95% 的效能。
微处理器、背光 LED，以及I/O装置等关键组件的电源供应，在满足电压瞬时响应的严格需求，以及达到最高效能以有效利用电池能量等方面，扮演着重要角色。要达到电感与回路带宽的最佳设计，系统设计者必须了解所面对的设计挑战以及实体运作原则，进而选择正确的控制方式，以满足系统效能。
