手持式裝置的電源管理技術趨勢

Dialog Semiconductor Senior Analog Design Engineer Christian Wolf。

Dialog在高整合度混和訊號電源管理整合晶片領域具有全球領導地位，是一家無晶圓公司，而與亞洲夥伴合作生產，專注於高成長和大量的市場，像是高階手機或智慧型手機、可攜式媒體播放器、省電照明、汽車電子的控制和資訊娛樂等嵌入式市場。並且擁有強大的財務能力，2009年第4季營收為7,760萬美元，較前年同期成長49%。

Dialog在電源管理IC具有領先的技術，能讓客戶從離散元件方案進入整合性IC，以將電池使用時間極大化，並減低昂貴的矽晶圓使用。在系統架構、模擬、模型和電路設計累積了20年的經驗。依應用具備音訊和人機介面的典型整合性電源管理功能超過30種。

應用於可攜式裝置核心，可以促使電池續航力和效能增加、帶動智慧型手機的成長、處理器速度更快、和更大尺寸、更高品質的顯示器和觸控螢幕。充電器的趨勢則為，對綠色環保的意識更強、過電壓保護、統一的USB充電介面、以空電池開始充電、強化油表顯示器等。

Dialog電源管理IC DA9052發表於2009年2月，該公司半導體資深類比設計工程師Christian Wolf詳細介紹了晶片特性，它採用標準CMOS製程，以Dialog自己的IP作進一步強化，有1144位元EPROM供使用者組態，低功耗功率放大器數位控制核心，4個高效能降壓轉換器(Buck converter)，11個低壓降穩壓器(LDO)加超低功耗RTC LDO，LCD背光的升壓轉換器，雙輸入(USB / DC)充電器(1.3A)，備用充電器，10位元用於量測的管理ADC，觸控控制器，32kHz RTC振盪器，16個完全可讓使用者組態的GPIO。

外接供電狀況簡述如下，以LDO Regulator來說，特性為高功耗、低效能，1個外接元件，低功率應用；以降壓轉換器來說，特性則為低耗電、高效能，2個外接元件，高功率應用。

系統及設計上的挑戰

Christian Wolf表示，電源管理IC在設計上面臨許多挑戰，首先在外接式供電器處理上，輸入電流有其限制(可程式化的)，以USB 2.0來說，低功率模式為100 mA，高功率模式則為500 mA。輸入過電壓和過電流保護也是挑戰，IC或系統是不能因為錯誤供應而造成損毀的，而且若遇到元件或系統壞掉了，也要對系統及外接供電器有適當的保護。

USB及Drooping供電的處理為另一挑戰，Drooping電源供應有2個原因，一是電源供應器的電流很弱或有限，二是在電源供應器纜線中，有太多串列阻抗。USB不管是2.0或3.0，都有其電源限制，USB 2.0為0.5A~1.5A、2V~5.25V和0.5A以下4.75V到~5.25V，USB 3.0為0.8A~1.8A、2.0V~5.25V和0.8A以下4.45V？5.25V。

Christian Wolf說，Dropping電源供應要如何解決呢？供電移除閥門可程式化只能拖延問題，動態調整輸入電流，依輸入電壓相對調降，為較佳的解決方式，也就是動態輸入電流控制(Dynamic Input Current Control；DICC)。

還有一個挑戰是降低功耗和熱產生，必須將阻抗沿著功率路徑保持愈低愈好，必要時使用降壓轉換器，則是相當高效能的方式，或者也可以使用電池電壓追蹤架構。

系統負載優先性為另一挑戰。當輸入供電為有限的電流時(例如USB LP、USB HP)，系統電流必須較充電器電流更為優先，從深度輸出電池開始系統運作，必須必須保證最小輸出電壓是在系統節點。當系統節點電壓因為過負載導致系統節點電壓開始下降，充電電流可以動態控制(Dynamic Charge Current Control；DCCC)並開始支援。

還有增長電池使用時間的挑戰，像是緊緊地控制充電器端點電壓，通常為+/-25mV，且充電時要避免高溫。

結論與展望

充電器功能是系統電源管理IC中的關鍵元件，可以有不同的充電器架構，端視系統節點連接方式。現在的系統電源管理IC可以有效處理高電流的外接電源供應器、改善過電壓和過電流的保護功能、輸入電流對不同的功率支援有限(像USB)、外接電源供應器較弱(DICC)、系統負載有其優先性(DCCC)。開關架構可使整個供電路徑減少功耗。改善系統效能因而能為使用者將電池使用時間極大化。

未來發展重點包括，新的電池化學性需要不同的充電端點電壓，且允許較高的充電電流，更快的處理器，需要晶片上有更高的電流、延長HV CMOS製程可以在輸入時容許更高的電壓，支援USB高壓埠充電器。