行動裝置必須考量的創新電源設計
- DIGITIMES企劃
-
在可攜式電子產品設計趨勢方面，各種功能的多方整合，一直是相關產品發展的重要方向與趨勢，例如，行動電話整合數位相機、數位相機整合Wi-Fi無線上網傳送照片，而PDA或智慧型行動電話整合GPS全球定位系統，雖然多數的整合設計還有待商業市場考驗，但整合多用途、多功能的設計趨勢是必然發展方向，而整合相關硬體功能必須面對的課題，就是電源的最佳化設計...
本文：
這波硬體整合的趨勢中，數位相機可以說是最受歡迎的整合功能，而數位相機的整合應用，若是僅為定焦拍攝的設計功能，可能在整合的難度、電路設計與電源設計並不會有太大困擾，設計線路也相對簡易許多，但如果是想把完整的機械式變焦系統、光學鏡頭、高解析能力的CCD感光元件整合到行動裝置中，其整合難度就相對高許多，因為其間不僅牽涉到機械光學鏡頭的伺服驅動，而要取得高品質的成像效果，對於CCD的電源與相關電路設計，就更為關鍵。
在過去，數位相機呈現高度成長，在獨立型的數位相機產品發展中，數位相機的入門解析度已經從300萬像素躍升至500萬像素，高階機種可以達到700萬甚至更高的解析能力，而在行動電話的整合方案中，低於100萬像素的數位相機鏡頭整合，已經是低階或入門產品的基本規格，中？高階產品都至少有300萬像素以上的解析能力。而在目前的元件設計方面，應用於手機的數位相機元件，多半已有模組化的元件設計，其整合難度相對降低許多，對於功耗與電源的影響相對較小，而本文主要討論的是全功能的數位相機，在整合其他行動裝置或行動電話的應用方式，與可能對功耗與電源的直接影響，和相關可行的改善電源設計方案。
檢視獨立型數位相機的功耗需求
要討論整合應用前，必須針對各部分重點元件進行分析，了解其功耗與作動的基本要求，再進行相關整合設計，即可避免完成設計後卻發現電力系統或是控制系統的相關限制，造成大幅修改電子電路設計的額外成本。
以獨立型數位相機為例，數位相機包括了許多功能模組，多數的功能模組為需要大量電流驅動的元件，而其成像的關鍵元件即為CCD(部分業者較喜愛採用CMOS元件)電荷耦合元件，而此元件可以取代傳統的膠卷，透過電荷差異取得拍攝影像資料，一般CCD或是CMOS多是透過2.7~3.3v不等的電力進行供電。
而數位相機另一個關鍵元件即為閃光燈，閃光燈的設置是為了解決環境光不足狀態下的拍攝需求，當拍攝環境亮度不夠，數位相機即會透過強制閃光去補足環境光的不足，傳統數位相機的閃光燈必須透過氙氣燈來產生瞬間閃光，電路設計是在光脈衝持續過程中，由電池電力透過升壓迴路，持續供應氙燈所需的高壓持續電壓。
但問題來了，若是行動裝置而言，其電力來源多為電池，如何產生驅動氙燈所需的5Kv電力脈衝？而驅動的電力又必須足以讓閃光燈內的氙氣達到混合氣體電離的最低門檻？而讓氙燈呈現啟動的狀態。分析氙燈的應用程序就會發現有幾個關鍵，在數位相機需要補光的幾秒鐘內，電子電路必須具備能將電池電力系統(多為5V或更低)瞬間轉換至300v的直流升壓調節系統，進而透過電子電路的輔助，將高壓再轉換成足以讓氙燈內的混合氣體產生電離的kV等級脈衝。
此外，在數位相機必備的LCD顯示螢幕，在近來持續朝大尺寸化發展，從主流的2~3吋持續放大到3.5~4吋的顯示水準，新的設計方案多數必須搭配LED背光設計，藉此達到節約電源消耗的目的，但LED背光雖然具備省電效益，但要讓電腦效益發揮極致，仍須搭配部分電路設計補強，例如，透過環境光偵測器確認使用環境的現況，動態調整LED背光輸出，或是搭配距離感測器，當使用者利用相機進行目測觀景窗拍攝時，自動關閉LED背光源，都是節約電源消耗的實用設計方案。
獨立數位相機的使用功耗狀況
在了解各部位關鍵模組的用電模式後，就可以著手進行電源分配與整合的工作，在進行前仍須了解數位相機整體的功耗使用現況，因為不同的操作狀態其功耗會有相當大的差異，則必須透過設計手段進行調整。
彩色LCD顯示幕多數是透過搭配2~4個白光LED提供背光光源，前述可以透過距離感測器與環境光感測器的整合設計方案，將白光LED作動的效益發揮到最高，基本上即提供使用者所需的背光亮度即可，比以往全時100%輸出背光的方案至少可以降低50%以上的額外功耗。
相機本身光學機械結構(光機)部分尚有對焦系統、快門驅動馬達的驅動需求，而對焦系統若是搭配無變焦的鏡頭模組，其驅動功耗較小，若是進階應用的光學變焦鏡頭，除了對焦所需的電力功耗外，構圖取景進行的Zoom in/out動作，透過驅動馬達運行的瞬間功耗則必須加以考量，避免電力不濟影響元件正常運作，或是造成LCD或是其他顯著功能組件的異常運作。
一般而言，一組200萬像素拍攝解析度的數位相機，在進行拍攝動作時的瞬間消耗功率可以達到2~3W，檢視拍攝成果或是進行簡單相片編輯、刪除、更名...等動作時的整體功耗，峰值功率可以達到1.5W，若是以此為計算基礎，此電路系統若採行1,000mAh的電池系統，光靠電池電力應足以維持超過1小時的連續拍攝與照片編修、瀏覽應用。
電池系統採行的元件種類與特性，在整體電源設計中亦扮演著重要的角色，幾乎多數3G手機都為採行鋰離子電池設計，鋰離子電池也是目前可充電式的化學電池中，單位能量密度最高的電池元件。多數電池尺寸約為50×40×5mm見方，容量約為1,200mAh至1,800mAh間。但在行動裝置的電源設計中，無法一昧的透過提升電池蓄電力的方式去延續產品的使用時間，因為畢竟行動裝置不若筆記型電腦這類設備，使用者與市場需求對於產品體積極度要求，太大的構行設計是相關產品開發所不能容許的狀況，電源設計的方針必須從「節流」的方向去思考。
將數位相機與行動通訊功耗一併進行考量
基於設計條件的現實面，所設計的行動裝置或許能運行超過一小時的連續拍攝，對於數位相機產品來說已經是足稱堪用的系統，但實際應用於整合行動裝置的設計方案時，若今天整合的終端產品為行動電話系統或是PDA裝置，那僅有一小時的運行效益絕對會影響到最終產品的市場競爭力。目前市面上的可拍照手機，其拍攝解析度多在100萬像素上下，在通話與拍照應用時的瞬間峰值功率，多半也具備低於1.5W的設計要求，因為新的數位相機模組因應行動電話的設計需求，已被要求必須達到模組面積必須小於1cm2，厚度也必須僅有3~4mm以內，同時還要具備Auto-Focus、100mW以下功耗要求與2~3V即能驅動的元件嚴苛要求。
但今日手機也不是僅有相機功能需納入考量，新的設計方案不斷擴增Flash Memory使用量，動輒都要4~8GB的內建記憶體，另設計要求還須同時提供外部擴充Flash Memory的連接器設計，相關的讀？寫控制器，都會造成電池電力的額外負荷，如果手機裝置僅配置一顆3.6V、1,000mAh的鋰離子電池，那數位相機和通話功能連續使用狀態下，電池可能僅能提供2小時內的應用時間，當整合的目標是以達到一般手機的6小時連續使用的預期條件時，針對各個高耗能的元件或模組，進行電力配置最佳化的設計就變成必要的工作。
針對行動電話應用的高效能節電設計
因應行動電話的高複雜度、高整合特性設計，其電源系統的設計方針，不能再用統一的管理機制進行電力設計，若僅使用一套電力系統，而最終設計的電源管理效益將會顯得效率低下，必須透過具目的性的電源設計策略與方案，建構整體的電源管理系統。例如，3G手機可提供具有更多連網應用的功能特性，電力要求會比以往手機設計還要嚴苛，使用者會要求設備的單顆電池工作時間要能達到已往手機的表現水準。
目前已有多種目的性設計的電源管理IC推出，除可解決電路設計的尺寸問題，也因為針對各式應用目的設置的方案，讓這些電力管理應用更容易導入對應的設計案中，也為裝置功能提供更多彈性設計。而裝置可以透過結合高整合的電源管理單元，與高性能的分離式電源元件進行系統的電池應用管理、功率轉換，建構更完善的電池系統管理環境。但問題來了，當行動電話所整合的功能越來越多，將直接影響手機內部元件的布局與PCB布線設計，而當元件被分布在裝置的四周即代表PCB的走線加長，如果傳輸過程產生訊號耗損設計勢必要加入設置中繼電力的強化元件，用更多系統電力與功耗，去換取更穩定的傳輸訊號品質，而這些額外設計都會或多或少影響整體裝置的功耗表現。
透過分離式電源元件 提升電源管理效益
一般的設計狀況是，工程人員必須針對不同的子元件供電標準，提供對應的電力系統，一般的作法是基於同一套電力系統，但是針對特定功能區塊，利用體積小、高效率的DC/DC轉換，去取得針對此類電子電路最佳化的電力來源，例如，部分需要高頻DC/DC的轉換電源、驅動相機模擬閃光燈效果的高功率白光LED驅動升壓元件，或是使用功耗相對對較低的副顯示螢幕，透過不同電力配置去達到最佳化的電源使用效率設計。
而分配目的式的電源配置只是設計電源最佳化的第一步，接著還必須考量幾個重要的開發課題，例如，電池管理系統必須能夠因應精確的電池電量計量與處理充電應用，而電源轉換如DC/DC轉換必須儘可能達到高效能轉換目標，降低轉換時的功率損耗，最後，系統還必須針對實際的運行效能，動態管理電源的多個子系統，達到整體電力應用的最佳化設計。
在充電、電池計量與高效能電源轉換的應用部分，可以選擇合宜的電源管理元件，透過整合元件直接一勞永逸解決電源管理問題，也可讓設計更趨穩定，而不需額外線路或自行建構相關設計方案，快速導入設計中，而系統運行的狀況分析與電力分配設計，就必須在系統核心與軔體開發進行進階開發，才能達到最佳效益。
以數位相機整合的案例來看，電源功耗的關鍵問題還是在特殊應用的瞬間大電流、大電力DC/DC轉換需求，此以白光LED閃光燈應用最為常見！因為當照相手機的拍攝需外部光源補光時，至少都要有50lux輔助亮度搭配，才能拍出高品質的影像，但是目前多數手機能提供的閃光燈方案都還未達此目標，要真正改善拍攝品質必須透過高功率的白光LED輔助閃光，其驅動電源需求即需要1A直流驅動，雖然手機還未能直接提供1A電流驅動LED，但透過高效能DC/DC直流升壓轉換元件，也可為LED提供超過500mA的驅動電流，甚至可以超過700mA，至少能達到讓閃光燈LED的補光效率達到實用的效果，而不是聊備一格的雞肋功能。
而採行先進的類比IC製程開發的新型DC/DC轉換器，其實在實務應用中可以解決不少電源系統設計的難題，因為DC/DC轉換器在目前的實務元件中，體積已被大幅縮小設計，在提供升壓或電流輸出提高的應用方面，其運作精密度也因為積體電路化而提升不少，加上這類元件本身就已經整合了開關電晶體，在實踐電源控制的線路方面，只要在電路加上電感與兩個電容元器件 ，就可以達到區域電力控制與最佳化設計，對於PCB的使用面積來說，遠比自行布線設計相關線路要縮小許多，也可在行動裝置達到最佳的小型化設計要求。
