电源管理通常不是可携式产品的设计核心，但它的性能表现会影响整个系统的运作，甚至影响使用者的购买选择。通常消费者在选购手机、数字相机(DSC)及个人数字助理(PDA)时，电池的操作时间、待机时间，都会影响购买的决定。
愈来愈多多媒体功能嵌入于可携式产品中，例如手机升级至彩色面板及附有数字相机，功能的增加也代表消耗功率的增加。对于讲究轻薄短小与省电的可携式电子装置来说，电源管理IC必须符合高转换效率、省电等特性，除此之外，也要兼顾小型包装尺寸与避免过热的问题。如何在有限的电池容量、产品尺寸下达到较长的操作时间便是电源管理的挑战。
可携式产品特性
可携式产品种类繁多且多元，功能由简至繁不一而足；主要为消费性电子产品，提供影音多媒体的服务，诸如手机、PDA、DSC及掌上游戏机等。如图1所示，由系统观点来看，主要有DSP/MCU等微处理器，负责讯号转换与周边单元控制。内存单元，包括ROM、Flash、SRAM、SDRAM等，负责暂时存放处理器的数据及储存硬件的基本设定。显示单元，负责将数据及结果透过面板呈现，常见的有非晶硅LCD(A-si TFT LCD)、低温多晶硅LCD (LTPS TFT LCD)、C-STN及有机发光二极管(OLED)。通讯接口，透过接口与其它设备作数据影音的传输。电源管理单元，主要作电池管理及各电压间的转换、包括充电器、保护器、容量计、及各式DC/DC转换器。以电源角度来看上述方块单元，将更清楚可携式产品的电源设计。
(a) 电池
电池是电力的主要来源，在有市电时可透过Adaptor或USB提供电源或对电池进行充电。依可否充电，分为一次与二次电池。一般常见的一次电池有碱性电池、碳辛电池与不可充的锂电池；其中碱性、碳辛电池公称电压(Nominal Voltage)为1.5V，锂电池则约2串的碱性电池为3V。二次电池则有镍镉电池（NiCd）、镍氢电池（NiMH）、锂离子电池（Li-ion）与锂高分子电池(Lithium Polymer Battery)。
消费性家电产品的充电电池大都是镍镉电池，因为镍镉电池是一种成熟的产品，因具有镉金属，所以并不甚环保。相较于镍镉电池，镍氢电池无论在单位重量或是单位体积的电能储存密度上，镍氢电池都提供了相当的改进。镍氢电池、镍镉电池公称电压约为1.2V，充饱可达1.5V左右；由于其工作电压与碱性电池差不多，因而有时可共享。一般使用CC充电(Constant Current)，采 或 的终止侦测。锂离子电池的电能储存密度要比镍镉电池高出一倍以上，因过充与过放会造成锂离子结晶而短路，恐有发火爆炸之虞。是故需在电池包内部装上一些故障保护机制，以便在电压／电流过大或是温度过高的时候，将电池与负载以及／或是充电器之间的电路切断。锂离子电池与锂高分子电池公称电压约为3.6~3.7V，充饱可达4.1~4.2V左右。一般使用CC_CV充电(Constant Current_ Constant Voltage)，微小电流的终止侦测。锂高分子电池在电极材料与充放电特性上与锂离子电池相同，因其电解质为胶状，电解还原反应不及锂离子电池液态激烈，故电能储存密度稍低些，但安全性也相对提高。
〔1〕锂高分子电池采用铝箔包装，可制成大面积及薄型化的设计，产品适用于笔记型计算机、PDA与手机的应用。当然现今也有一些超薄型的锂离子电池，其厚度可低于4 mm，例如超薄角型锂离子电池 (Prismatic Li-Ion Battery)及薄片型锂离子电池(简称为Advanced Lithium-Ion Battery : ALB)。关于电池的充放电特性，会因使用的电极材料不同与制造厂商制程不同而略有不同，是不能以遍概全的。钮扣型电池(Coin-Type Button Cell)则提供RTC(Real Time Clock)电源，作为系统计时或提供SRAM作暂时性数据保存。
智能型电池系统(Smart Battery System)能协助满足可携式电源的设计要求。透过连接智能电池与主机间的SMBus (System Management Bus)通讯机制，能够让可携式系统自智能型电池系统中获得包括精准的电池残余容量，及可操作时间、充电状态等信息，以改善电源管理效能。例如，系统可以透过SMBus，得知还剩下多少操作时间、何时需要充电及主、备份电池的选择等。另外，由于智能型电池系统方案能够兼容各种供货商的SMBus组件，因此它在产品的升级上也提供了极大的弹性。
(b)DSP/MCU与Memory
〔2〕逻辑处理器是产品的核心组件，包括了数字讯号处理器(DSP)、微处理器(MPU)、微控制器(MCU)、特殊应用IC(ASIC)、可程序逻辑组件(PLD)及标准应用IC(ASSP)。随着制程的进步，半导体组件的工作电压持续降低，不过由于芯片晶体管组件数目、操作频率及漏电流的影响将持续增加，使得芯片的整体消耗功率并不因工作电压降低而减少。目前包括微处理器、数字信号处理器等，对核心电压的要求多数都低于2.5V，有些高阶DSP电压甚至已降至1.0V。一般 I／O电压也多半低于3.3V，SDRAM 则为2.5V或3.3V。降低功耗是可携式产品追求的目标，但是降低电压同时会带来的副作用，将是影响系统运作效能。因为较低的电路工作电压输出较低的信号幅度，将导致噪音或讯号衰减易受干扰，以及导致作业速度变慢。
(C)显示单元
常见的有非晶硅LCD(A-si TFT LCD)、低温多晶系LCD (LTPS TFT LCD)、C-STN及有机发光二极管(OLED)。TFT LCD具有低耗电特性，但由于本身不发光，需有导光板及灯管等背光组件；故整体功率消耗是较OLED来的高。在可携式产品中，现大多采用白色发光二极管，依尺寸大小需要2~4颗WLED。OLED由于具有自发光、广视角、高对比、高亮度、高色彩饱和度、反应快速、低操作电压、面板厚度薄、且具有低成本的潜力等特性，是显示器的明日之星。目前在耗电量及组件寿命仍有待突破。在小尺寸的面板上一般需提供一组高的正负压电源给闸极电源以及源极的一正偏压，电流均在10mA以下。
透过上述的介绍可以了解从电池输入端电源至常用IC组件所需的电源概况。接下来将探讨可携式产品电源设计的挑战与需求。
可携式电源设计的挑战与需求
低功耗是可携式产品设计上必须面对的挑战，解决功耗问题除了降低组件工作电压外，可以从系统、I／O、电路技术的选择等处着手。例如智能型电源管理方案，就能侦测系统真正需要电源的时间，其余时间则将电源关闭。或是针对目前工作要求而调整电力消耗的方式。这个问题在笔记型计算机中已经透过积极的电源管理机制加以解决。举例而言，英特尔的SpeedStepTM 技术可根据处理器模式来调整电力供应电压。另一项措施则是采取新的制程技术如BiCMOS或GaAs等，需要较少功耗的电路技术。一方面则是开发较高电能储存密度的电池，例如燃料电池，并配合智能型电池系统(SBS)来有效管理电池能源。另一方面则需以系统方案来解决电源管理问题，单一提高转换器的效率是最直接有效的方式。但是可携式产品的电源需求往往是复杂且多样的，透过系统方案以整体的系统为考量，将更容易提高整体的效率与减少零件需求及成本支出。
在可携式产品中对DC/DC转换器一般有以下需求:
(1).小型封装尺寸:在轻薄短小的要求下，留给电源部份的空间并不会太大。现今脚位少的单一转换器中以SOT-23、MSOP为最为普遍；SC70及采Micro Leadless微型无引脚封装技术则为较先进技术。多脚位的转换器中，以TQFP(Thin Quad Flat Pack)及无引脚的QFN(Quad Flat No-lead) 为较小封装。内建MOSFET及回授电阻等整合性，都可减少外部零件数。
(2).低静态电流:包括转换器本身的工作电流及停机电流要求都要极低，以减少待机的功率消耗。
(3).高转换效率: 包括在轻载及重载下的转换效率，藉由控制方式在轻载采Burst Mode减少切换损失，重载时再切换至PWM Mode以提高效率。搭配同步整流技术，将大大提升转换效率。
(4).低电压启动:在可携式产品，常使用单节碱性电池，为善用电池容量，常要求1V转换器便能工作将电压升高。
(5).涌入电流的限制:在开机启动时，需适时限制涌入电流，避免大电流造成电池电压骤降。一般采用软启动或2段式电流限制。
(6).EMI:较小的涟波电压及电磁干扰是必须的。使用Low ESR的电容及切换频率同步技术将可获得改善。
(7).保护措施:过电流、过电压、过热及短路保护都是常见的电气保护措施。
以上这些需求将依系统需求，调整考量的优先级。
常见电源转换架构
(a) 线性稳压器
产生稳定的电压，最简单的方法就是使用LDO(Low Dropout Linear Regulator)稳压器如图2所示。由于线性稳压器的体积很小，电路设计又很简单，因此在绝大多数的应用中，它们都是厂商的第一个选择；然而线性稳压器也有缺点，其中最主要的就是它的转换效率很低，电力的损失很大；特别是当输出电压远小于输入电压的时候，这些缺点就会特别明显。
理想效率为
LDO它提供快速的负载响应时间以及非常准确的电压稳定效果；除此之外，它们的噪声通常都很少，也常被用来当成滤波器。
(b) 交换式直流转换器
采用电感的交换式电源转换器主要有两种，一种是升压转换器如图3(b)所示，另一种则是降压转换器如图3(a)所示。升压转换器会接受一个较低的电池电压，然后把它转换成较高的稳定输出电压；反之降压转换器会接受一个较高的电池电压，然后把它转换成较低的稳定输出电压。原理主要使用电感作储能组件，藉由责任周期的控制，而转换至各种电压。图中被动开关可以是一颗MOSFET，而不是一颗二极管，此时它被称为一个同步整流器，可大幅提升效率。交换式稳压器的电源转换效率远高于LDO稳压器，这是它们的最大优点；一般说来，降压稳压器的电源转换效率可以达到90% ～95%，而升压转换器则能提供80% ～90% 的转换效率。但它的体积、成本以及零件数目都将远大于LDO稳压器。
如图3(c)则为返驰式转换器，在可携式产品中主要产生高压电源及多组电源，如提供给TFT LCD 或CCD Sensor等电源。如图3(d)为电荷泵浦是转换电源的另一种方法，它是由两个电容与开关所组成，可以把电池内的电荷转移成所要求的电源输出，依架构可以设计成如倍压、降压或负压的转换。图3(d)所示，它是一种倍压器，可以把电池电压加倍输出。其理想效率为 ，效率将随输入电压而改变；因不需外部电感，只需一返驰电容，是电路空间节省的解决方案。
应用实例
底下介绍一升压型转换器，由RichTek所推出的〔3〕RT9266为应用实例，其主要特色如下:
(1). 1.0V低启动电压，适用于单节碱性电池的启动。(2).高达90%的转换效率，使用PSM/PWM自动切换控制，使在轻、重载都能维持高转换效率。(3). 17uA的无切换静耗电流、70uA的无载耗电流及1uA以下的停机电流。(4).SOT-23-6包装。(5).450KHz的切换频率，允许使用小的电感、电容及小的输出涟波电压。(6).Current Mode 控制可获得快速的瞬时反应及良好的电池输入变化调整率(Line Regulation)。(7).内建MOSFET及外部驱动脚位，提供弹性的使用内建MOSFET或外部MOSFET以提供大输出电流。
图4.为RT9266接成升压型架构，可自单节碱性电池升压至3.3V，其效率表现如图5.所示。图6.为使用Flyback 架构，适用于TFT LCD 或CCD Sensor等。图7.为电荷泵浦架构，应用于小电路空间、小功率的输出。
结论
轻薄短小、省电低功耗与小型化的趋势，为可携式产品的设计人员带来了全新的挑战；然而不断推陈出新的各类电源管理组件，也让可携式产品的电源设计具备更高的灵活性。透过系统方案以整体的系统为考量，将更容易提高整体的效率与减少成本支出。
愈来愈多多媒体功能嵌入于可携式产品中，例如手机升级至彩色面板及附有数字相机，功能的增加也代表消耗功率的增加。对于讲究轻薄短小与省电的可携式电子装置来说，电源管理IC必须符合高转换效率、省电等特性，除此之外，也要兼顾小型包装尺寸与避免过热的问题。如何在有限的电池容量、产品尺寸下达到较长的操作时间便是电源管理的挑战。
可携式产品特性
可携式产品种类繁多且多元，功能由简至繁不一而足；主要为消费性电子产品，提供影音多媒体的服务，诸如手机、PDA、DSC及掌上游戏机等。如图1所示，由系统观点来看，主要有DSP/MCU等微处理器，负责讯号转换与周边单元控制。内存单元，包括ROM、Flash、SRAM、SDRAM等，负责暂时存放处理器的数据及储存硬件的基本设定。显示单元，负责将数据及结果透过面板呈现，常见的有非晶硅LCD(A-si TFT LCD)、低温多晶硅LCD (LTPS TFT LCD)、C-STN及有机发光二极管(OLED)。通讯接口，透过接口与其它设备作数据影音的传输。电源管理单元，主要作电池管理及各电压间的转换、包括充电器、保护器、容量计、及各式DC/DC转换器。以电源角度来看上述方块单元，将更清楚可携式产品的电源设计。
(a) 电池
电池是电力的主要来源，在有市电时可透过Adaptor或USB提供电源或对电池进行充电。依可否充电，分为一次与二次电池。一般常见的一次电池有碱性电池、碳辛电池与不可充的锂电池；其中碱性、碳辛电池公称电压(Nominal Voltage)为1.5V，锂电池则约2串的碱性电池为3V。二次电池则有镍镉电池（NiCd）、镍氢电池（NiMH）、锂离子电池（Li-ion）与锂高分子电池(Lithium Polymer Battery)。
消费性家电产品的充电电池大都是镍镉电池，因为镍镉电池是一种成熟的产品，因具有镉金属，所以并不甚环保。相较于镍镉电池，镍氢电池无论在单位重量或是单位体积的电能储存密度上，镍氢电池都提供了相当的改进。镍氢电池、镍镉电池公称电压约为1.2V，充饱可达1.5V左右；由于其工作电压与碱性电池差不多，因而有时可共享。一般使用CC充电(Constant Current)，采 或 的终止侦测。锂离子电池的电能储存密度要比镍镉电池高出一倍以上，因过充与过放会造成锂离子结晶而短路，恐有发火爆炸之虞。是故需在电池包内部装上一些故障保护机制，以便在电压／电流过大或是温度过高的时候，将电池与负载以及／或是充电器之间的电路切断。锂离子电池与锂高分子电池公称电压约为3.6~3.7V，充饱可达4.1~4.2V左右。一般使用CC_CV充电(Constant Current_ Constant Voltage)，微小电流的终止侦测。锂高分子电池在电极材料与充放电特性上与锂离子电池相同，因其电解质为胶状，电解还原反应不及锂离子电池液态激烈，故电能储存密度稍低些，但安全性也相对提高。
〔1〕锂高分子电池采用铝箔包装，可制成大面积及薄型化的设计，产品适用于笔记型计算机、PDA与手机的应用。当然现今也有一些超薄型的锂离子电池，其厚度可低于4 mm，例如超薄角型锂离子电池 (Prismatic Li-Ion Battery)及薄片型锂离子电池(简称为Advanced Lithium-Ion Battery : ALB)。关于电池的充放电特性，会因使用的电极材料不同与制造厂商制程不同而略有不同，是不能以遍概全的。钮扣型电池(Coin-Type Button Cell)则提供RTC(Real Time Clock)电源，作为系统计时或提供SRAM作暂时性数据保存。
智能型电池系统(Smart Battery System)能协助满足可携式电源的设计要求。透过连接智能电池与主机间的SMBus (System Management Bus)通讯机制，能够让可携式系统自智能型电池系统中获得包括精准的电池残余容量，及可操作时间、充电状态等信息，以改善电源管理效能。例如，系统可以透过SMBus，得知还剩下多少操作时间、何时需要充电及主、备份电池的选择等。另外，由于智能型电池系统方案能够兼容各种供货商的SMBus组件，因此它在产品的升级上也提供了极大的弹性。
(b)DSP/MCU与Memory
〔2〕逻辑处理器是产品的核心组件，包括了数字讯号处理器(DSP)、微处理器(MPU)、微控制器(MCU)、特殊应用IC(ASIC)、可程序逻辑组件(PLD)及标准应用IC(ASSP)。随着制程的进步，半导体组件的工作电压持续降低，不过由于芯片晶体管组件数目、操作频率及漏电流的影响将持续增加，使得芯片的整体消耗功率并不因工作电压降低而减少。目前包括微处理器、数字信号处理器等，对核心电压的要求多数都低于2.5V，有些高阶DSP电压甚至已降至1.0V。一般 I／O电压也多半低于3.3V，SDRAM 则为2.5V或3.3V。降低功耗是可携式产品追求的目标，但是降低电压同时会带来的副作用，将是影响系统运作效能。因为较低的电路工作电压输出较低的信号幅度，将导致噪音或讯号衰减易受干扰，以及导致作业速度变慢。
(C)显示单元
常见的有非晶硅LCD(A-si TFT LCD)、低温多晶系LCD (LTPS TFT LCD)、C-STN及有机发光二极管(OLED)。TFT LCD具有低耗电特性，但由于本身不发光，需有导光板及灯管等背光组件；故整体功率消耗是较OLED来的高。在可携式产品中，现大多采用白色发光二极管，依尺寸大小需要2~4颗WLED。OLED由于具有自发光、广视角、高对比、高亮度、高色彩饱和度、反应快速、低操作电压、面板厚度薄、且具有低成本的潜力等特性，是显示器的明日之星。目前在耗电量及组件寿命仍有待突破。在小尺寸的面板上一般需提供一组高的正负压电源给闸极电源以及源极的一正偏压，电流均在10mA以下。
透过上述的介绍可以了解从电池输入端电源至常用IC组件所需的电源概况。接下来将探讨可携式产品电源设计的挑战与需求。
可携式电源设计的挑战与需求
低功耗是可携式产品设计上必须面对的挑战，解决功耗问题除了降低组件工作电压外，可以从系统、I／O、电路技术的选择等处着手。例如智能型电源管理方案，就能侦测系统真正需要电源的时间，其余时间则将电源关闭。或是针对目前工作要求而调整电力消耗的方式。这个问题在笔记型计算机中已经透过积极的电源管理机制加以解决。举例而言，英特尔的SpeedStepTM 技术可根据处理器模式来调整电力供应电压。另一项措施则是采取新的制程技术如BiCMOS或GaAs等，需要较少功耗的电路技术。一方面则是开发较高电能储存密度的电池，例如燃料电池，并配合智能型电池系统(SBS)来有效管理电池能源。另一方面则需以系统方案来解决电源管理问题，单一提高转换器的效率是最直接有效的方式。但是可携式产品的电源需求往往是复杂且多样的，透过系统方案以整体的系统为考量，将更容易提高整体的效率与减少零件需求及成本支出。
在可携式产品中对DC/DC转换器一般有以下需求:
(1).小型封装尺寸:在轻薄短小的要求下，留给电源部份的空间并不会太大。现今脚位少的单一转换器中以SOT-23、MSOP为最为普遍；SC70及采Micro Leadless微型无引脚封装技术则为较先进技术。多脚位的转换器中，以TQFP(Thin Quad Flat Pack)及无引脚的QFN(Quad Flat No-lead) 为较小封装。内建MOSFET及回授电阻等整合性，都可减少外部零件数。
(2).低静态电流:包括转换器本身的工作电流及停机电流要求都要极低，以减少待机的功率消耗。
(3).高转换效率: 包括在轻载及重载下的转换效率，藉由控制方式在轻载采Burst Mode减少切换损失，重载时再切换至PWM Mode以提高效率。搭配同步整流技术，将大大提升转换效率。
(4).低电压启动:在可携式产品，常使用单节碱性电池，为善用电池容量，常要求1V转换器便能工作将电压升高。
(5).涌入电流的限制:在开机启动时，需适时限制涌入电流，避免大电流造成电池电压骤降。一般采用软启动或2段式电流限制。
(6).EMI:较小的涟波电压及电磁干扰是必须的。使用Low ESR的电容及切换频率同步技术将可获得改善。
(7).保护措施:过电流、过电压、过热及短路保护都是常见的电气保护措施。
以上这些需求将依系统需求，调整考量的优先级。
常见电源转换架构
(a) 线性稳压器
产生稳定的电压，最简单的方法就是使用LDO(Low Dropout Linear Regulator)稳压器如图2所示。由于线性稳压器的体积很小，电路设计又很简单，因此在绝大多数的应用中，它们都是厂商的第一个选择；然而线性稳压器也有缺点，其中最主要的就是它的转换效率很低，电力的损失很大；特别是当输出电压远小于输入电压的时候，这些缺点就会特别明显。
理想效率为
LDO它提供快速的负载响应时间以及非常准确的电压稳定效果；除此之外，它们的噪声通常都很少，也常被用来当成滤波器。
(b) 交换式直流转换器
采用电感的交换式电源转换器主要有两种，一种是升压转换器如图3(b)所示，另一种则是降压转换器如图3(a)所示。升压转换器会接受一个较低的电池电压，然后把它转换成较高的稳定输出电压；反之降压转换器会接受一个较高的电池电压，然后把它转换成较低的稳定输出电压。原理主要使用电感作储能组件，藉由责任周期的控制，而转换至各种电压。图中被动开关可以是一颗MOSFET，而不是一颗二极管，此时它被称为一个同步整流器，可大幅提升效率。交换式稳压器的电源转换效率远高于LDO稳压器，这是它们的最大优点；一般说来，降压稳压器的电源转换效率可以达到90% ～95%，而升压转换器则能提供80% ～90% 的转换效率。但它的体积、成本以及零件数目都将远大于LDO稳压器。
如图3(c)则为返驰式转换器，在可携式产品中主要产生高压电源及多组电源，如提供给TFT LCD 或CCD Sensor等电源。如图3(d)为电荷泵浦是转换电源的另一种方法，它是由两个电容与开关所组成，可以把电池内的电荷转移成所要求的电源输出，依架构可以设计成如倍压、降压或负压的转换。图3(d)所示，它是一种倍压器，可以把电池电压加倍输出。其理想效率为 ，效率将随输入电压而改变；因不需外部电感，只需一返驰电容，是电路空间节省的解决方案。
应用实例
底下介绍一升压型转换器，由RichTek所推出的〔3〕RT9266为应用实例，其主要特色如下:
(1). 1.0V低启动电压，适用于单节碱性电池的启动。(2).高达90%的转换效率，使用PSM/PWM自动切换控制，使在轻、重载都能维持高转换效率。(3). 17uA的无切换静耗电流、70uA的无载耗电流及1uA以下的停机电流。(4).SOT-23-6包装。(5).450KHz的切换频率，允许使用小的电感、电容及小的输出涟波电压。(6).Current Mode 控制可获得快速的瞬时反应及良好的电池输入变化调整率(Line Regulation)。(7).内建MOSFET及外部驱动脚位，提供弹性的使用内建MOSFET或外部MOSFET以提供大输出电流。
图4.为RT9266接成升压型架构，可自单节碱性电池升压至3.3V，其效率表现如图5.所示。图6.为使用Flyback 架构，适用于TFT LCD 或CCD Sensor等。图7.为电荷泵浦架构，应用于小电路空间、小功率的输出。
结论
轻薄短小、省电低功耗与小型化的趋势，为可携式产品的设计人员带来了全新的挑战；然而不断推陈出新的各类电源管理组件，也让可携式产品的电源设计具备更高的灵活性。透过系统方案以整体的系统为考量，将更容易提高整体的效率与减少成本支出。
