創新的技術讓可攜式消費電子更有看頭

圖1，MCP1603效率與輸出電流負載曲線圖。

在可攜式消費電子產品領域中，製造商正面臨一個很大的挑戰─在保存或延長電池壽命的前提下，製造體積更小、效能更強的設備。而使用者對該設備的強烈需求，更推動了電池和積體電路(Integrated Circuit；IC)製造商不斷將技術、效能發揮至極限...

為了在更小、更輕的電池中提供更大的能量密度，電池製造商不斷進行創新，採用各種不同的電池化學技術；IC製造商則透過各種不同方法來滿足包括降低工作電壓、提高工作效率和節能等市場需求。

說電池是可攜式消費電子設備的「心臟」一點也不為過；它為內部IC提供運作所需的能源。由於電池扮演著這樣的關鍵角色，我們必須簡單討論一下目前主要被運用在可攜式消費電子設備上的各種電池化學技術，以及每種技術的主要特性。

目前主流的電池化學技術有4種，包括鹼性電池、鎳鎘(NiCd)電池、鎳氫(NiMH)電池和鋰離子(Li-Ion)電池。鹼性電池透過鋅和二氧化錳之間的化學反應來產生電能。當電量充足時，典型的鹼性電池可以產生大約1.5V的電壓。隨著電池能量的消耗，電池電壓將不斷降低，在電池利用率達到90%時產生的電壓約為0.9V。鹼性電池的容量相對較高，但內部電阻也較高，對於電流消耗較高的應用(例如相機閃光燈、遠端汽車遙控和動力工具)，實現的效率很低，因此會有此應用的限制。鎳鎘電池仍舊廣泛的用在高電流場合，鎳鎘電池的額定電壓為1.2V，在電池壽命結束時，電壓將降到0.9V。

鎳氫電池由於其環保的特點，普及度已超過鎳鎘電池。鎳氫電池的額定電壓約為1.25V，在電池電量耗盡前，電壓將降到1.0V以下。鎳氫電池廣泛用在數位相機、閃光燈、電動刮鬍刀和其他消費性電子設備。

至於鋰離子電池則成為大多數可攜式消費電子設備主要採用的電池化學技術。完全充電時，單顆鋰電池的開路電壓(open-circuit)約為3.6V，完全耗盡時，電壓則降至大約2.7V。

一些電池製造商預估，到2010~2020年之間，鋰離子/鋰聚合物電池的市佔率將提高至90%。這種電池化學技術具有許多優點，包括重量較輕、電池電壓較高，或可依賴鋰聚合物化學技術將電池製造成各種形狀的彈性。此外，鋰離子/鋰聚合物電池的能量密度不斷提高，成本也不斷降低。鋰離子電池的1個缺點是在過度充電的情況下可能會爆炸。由於存在這種安全問題，所以一些製造商在對尺寸和重量要求較寬鬆的應用中仍會採用鎳氫化學技術。

除了電池本身技術上的發展，IC製造商也持續提高功率和整體效能；包括降低工作電壓與電流、提高電源穩壓的效率，或在特定時候採休眠模式以減少功耗。

表1列出了前面討論的4種電池化學技術，使用單顆電池的額定電壓和終止電壓。為了達成最高的電池利用率，電子元件及其IC必須能在電池的總電壓範圍內運作。許多應用中都包含多顆串聯的電池，將每顆電池的電壓加總即為總電壓範圍；舉例來說，將兩顆「AA」鹼性電池串聯的隨身音訊播放器，其額定電壓約為3.0V，當電池完全用盡時，電壓將降為大約1.8V。若IC可於2V的電壓下工作，則可實現直接使用電池、無需穩壓電路的解決方案，不僅設計簡單，也具備成本效益。

但是，工作電壓只是實現低功耗的一半因素。為了有效降低電子設備的功耗以延長電池壽命，低工作電流也非常關鍵；對數位電路來說，電壓和電流是有直接關係的。較低電壓(即3.3V，而不是5.0V)加在數位電路，會使電路消耗的靜態電流會較低。而這也是微控制器、FPGA和其他數位IC在發展過程中支援越來越低工作電壓的原因之一。但對於類比電路來說，工作電壓和電流之間的關係則不是那麼顯著。

可攜式消費電子設備的系統設計師也很關心系統效率的問題。提高效率不僅可以延長電池壽命，還可以幫助解決散熱問題。直流/直流穩壓(DC-to-DC regulation)的效率對於可攜式應用非常關鍵，因此IC製造商持續開發新的架構和技術，以盡可能地提高這些穩壓器的效率。舉例來說，Microchip推出MCP1603開關式穩壓器，該穩壓器可以在脈衝頻率調變(Pulse Frequency Modulation；PFM)模式或脈衝寬度調變(Pulse Width Modulation；PWM)模式下工作，以提高系統的整體效率(見圖1)；在負載較大時，MCP1603在PWM模式下工作；在負載較小時，則於PFM模式下工作。這種自動切換功能將有助於提高多種負載條件下的效率。

除了上述方法以外，透過低功耗模式，系統設計師也可有效改善可攜式消費電子設備的功耗問題。在不使用的時候關閉非關鍵性電路的電源，能夠延長電池壽命。IC製造商在設計元件時，也會連帶把降低功耗的功能考量進去。例如，MCP6031運算放大器配備1個關閉接腳(shutdown pin)。MCP1603開關式穩壓器也配備1個關閉接腳，當不使用穩壓器時暫時停用穩壓器。

可攜式消費電子設備市場將在未來更加蓬勃發展。由於消費者對於功能、用途、電池壽命、還有小巧外型的需求不斷增長，電池和IC製造商因此必須不斷尋找創新的方法來提高效能，同時降低工作電壓和電流要求。此外，提高電池穩壓效率和節能模式也將繼續為可攜式電子設備的終端使用者帶來更多便利。(本文作者為Microchip Technology Inc.類比與介面產品部門資深產品行銷工程師)