在科技進步的21世紀，日常生活中的每一個動作都與電息息相關。對於以「電」為動力的電子產品來說，電源管理已經理所當然成為其重要技術核心。今日技術與製程的進步帶動了電源管理技術突飛猛進，而更先進的電源管理技術也同時帶給電子產品更高的使用效率與更多實用功能。此外，日漸普及的可攜式電子產品早已成為人們生活中的必需品，而為了滿足可攜式電子產品對於電源管理這張挑剔的大嘴，眾家廠商更是無不卯足全力開發出體積更小、效率更高、成本更低以及功能更多的電源管理晶片。究竟今日的電子產品需求哪些電源管理的重要功能？而現今之電源管理產品又能提供哪些更Smart的功能給這些永不滿足的電子產品呢？

根據Databeans的統計資料指出，全球電源管理市場自2004年至2010年之年複合成長率將為15％。而以市場佔有量來看，娛樂用途的消費性電子產品、手機等通訊產品以及電腦都是電源管理主要的應用領域。換句話說，電源管理市場將一直處於成長狀態，而其最大動能正是來自於消費性電子產品所需要的電源支援。這些終端產品將永遠是支持電源成長的主要動力。

電源管理元件的複雜性，隨著應用的多樣化而大幅增加。隨著電壓與功能的不同，系統主板上同時存在十顆以上的電源管理晶片是很常見的事情。這些為數龐大的元件對於系統的設計與成本當然會造成一定的影響，因此設計人員在系統的開發上將面臨更多的挑戰。而本文也將從電源的供應、系統電源架構、可攜式電源架構等幾個面向，為讀者介紹這些新一代的電源管理策略。

電源供應器

「電」一般可分為交流電（AC）與直流電（DC）兩種，所謂交流電是指兩個電極的電壓極性與電流方向均不停互相交替，日常生活中所使用的電源便是交流電。而直流電則是指兩個電極中之一方永遠為正電位，另一方永遠為負電位，電流的方向是由正電位流往負電位，在自然界中所產生的電（如靜電、閃電等）都是直流電。

生活中使用的電壓範圍多為100～240V之交流電，再根據需要將其轉換為所需之直流電源。在電子產品的電源管理上，常見之轉換方式為交流電轉直流電（AC/DC）與直流電轉直流電（DC/DC）等兩種型式，其中電源供應器便是屬於AC/DC之轉換方式。

AC/DC轉換原理與特性@內文:AC/DC電源供應器依電路結構不同可分為線性（Linear）電源供應器與交換式（Switching）電源供應器兩種。線性電源供應器主要是由變壓器、二極體整流器和電容濾波器所組成，其優點如下：

其缺點為：

@內標

●轉換效率低（約30～50％）；

●不可直流輸入；

●隔離變壓器體積大、重量重；

●輸入電壓變動範圍小，僅±10V；

●保持時間（hold-up time）低，僅1ms。

為解決線性電源供應器的種種缺點，因此發展出的交換式電源供應器。交換式電源供應器之優點如下：

《圖一　立錡科技行銷處技術行銷工程部專案副理陳俊聰》

其缺點為：

良好的交換式電源供應器應具有以下特色：

TI亞洲區市場開發高效能類比產品資深市場行銷工程師林志彥指出，傳統電源供應器由於採用線性設計，因此外型總是大且笨重。目前電源供應器的設計則是以體積小、重量輕及效率高的交換式設計為主。使用高頻的交換式電源供應器可以改善線性電源供應器的缺點，儘管在設計上卻比線性電源供應器複雜得多，但由於電源供應器輕薄化的趨勢，也讓交換式電源供應器備受重視。在進一步提高其效率、縮小體積後，未來肯定也將會被更多產品所採用。

系統電源

當AC/DC的轉換過程於電源供應器中完成之後，來到系統中，電源的轉換方式則多數都是DC/DC的直流間轉換形式。DC/DC轉換主要也可分為線性（Linear Regulator）與交換式（Switching Regulator）等兩種方式。線性轉換僅用於降低輸出電壓，又稱線性降壓，而交換式轉換則可進行升壓（Boost）、降壓（Buck）或者反相（Invert）等多種轉換模式。

線性電源轉換

線性電源轉換主要是利用線性穩壓元件，這些元件由類比限壓/限流電路所組成，以Dropout Voltage之方式，讓輸入電壓比輸出高，而利用元件本身來消耗電壓以造成壓降，因此其電源轉換效率差，且易產生熱能。不過若是在輸入與輸出之間的壓差不大的話，選用LDO（Low Drop Out）Regulator IC（0.2～0.6V）將是十分經濟實用的選擇。

《圖二　安森美半導體台灣區總經理呂智仲》

交換式電源轉換

交換式電源轉換有多種方式（VFM、VPM與Volt Pump），依其轉換方式的不同，適用的領域也不相同，如升壓或降壓便可利用其交換電源導通頻率，或相位配合電感的反電動勢，以及電容的儲存電量，來進行電壓的升降轉換，並可減少元件本身的電源轉換消耗，因此其效率較高，但電路設計較為複雜且昂貴。此外，交換式電源轉換又可分成電容式轉換與電感式轉換，電容式轉換即為Charge Pump（電荷泵）。

交換式電源轉換除了DC/DC Switching Controller外，另有DC/DC Switching Converter。一般Controller外部使用了三顆離散元件：P FET、N FET與電感。而Converter將其中之P FET、N FET改成內建，但仍需使用外接電感。此作法優點是更方便設計、更省空間，不過由於內建FET，也使得轉換能力受到限制，其運作原理與特性雖與Controller相似，但效率卻多半低於Controller。其供電能力較小，因此較適合可攜式裝置使用。

線性電源轉換與交換式電源轉換除了轉換方式不同之外，其所轉換出之直流電源純淨度、轉換效率、電路的複雜度與元件成本也各不相同。

線性電源轉換之電路最簡單，電源純淨度也較高，例如漣波少、雜訊低、干擾低，但轉換效率也最差，其所有輸入、輸出電壓之間的壓差均以熱能的形式消耗，不能供輸出電路運用。高功率線性轉換元件還得外接散熱片，因此線性電源轉換方式多用於系統電源，鮮少用於可攜式裝置上。

交換式電源轉換之轉換效率最高，但難掌握其電源純淨度，由於涉及電感線圈的配置，因此其元件電路體積大，為讓外接電感縮小，經常會將交換式電源轉換之頻率提高至MHz以上。而成本則以交換式電源轉換為最高，線性電源轉換最低。

可攜式電源管理

不論是多媒體手機、MP3 Player、PMP、PDA或者數位相機等各種可攜式產品，出門在外能夠將音樂、電影、遊戲或者整個辦公室隨身攜帶，感覺還真不賴。但糗的是，往往在最緊要關頭，當享受影音遊戲正過癮時，螢幕會很煞風景的告知你：電快用完了！這時候，除了換電池、或者關機之外，一般人常做的一件事情，便是很用力地抱怨：這玩意兒耗電怎麼這麼凶？其實，當消費者手上這體型小巧的「玩意兒」在既可以聽音樂、看影片、玩遊戲、打電話…等各種極盡耗電之能事的功能集於一身，電池體積又因外型的限制而被壓縮之後，實在很難去要求這可攜式裝置之電力供應還要能夠歷久不衰。如果真的非要這麼做的話，電源管理大概就是唯一可以用來減少電源耗損，並增長使用時間的唯一方式。

安森美半導體台灣區總經理呂智仲表示，新一代可攜式產品由於所具備的多媒體功能例如影音編解碼、壓縮解壓縮，更大尺寸的LCD螢幕，與配合相機功能的LED閃光燈等，讓整個系統之用電量比起以往單一功能的裝置硬是多出了好幾倍。雪上加霜的是，為了避免讓產品體積過於龐大，這些產品的電池體積必須在電池密度無法有效增加的情況之下，不斷縮小。這些產品功能的不斷增加，對於電力的需求已經超出了電池所能負擔之範圍。也因此，說這些設計人員正經歷一場史無前例的技術挑戰並不為過。也由於電池供電技術的進化遠趕不上新功能的電力需求，因此設計人員必須在如此惡劣的情況之下，從整個系統中擠出更多的電來。也因此，產品設計必須更聰明地使用以及管理電源。有人說：可攜式產品的設計，說穿了就是電源管理的設計。由此可知，電源管理對於可攜式產品之重要性不由言表。

《圖三　TI亞洲區市場開發高效能類比產品資深市場行銷工程師林志彥》

兩大關鍵

可攜式產品電源管裡的兩大關鍵，在於電源轉換效率的提高與系統功耗的降低。要提高電源轉換效率就必須使用合適的轉換器，而降低系統功耗的重點則在於降低工作電流和靜態電流的功耗，例如在佈線設計時採用功耗較小的元件，以減少電路板上的工作電流負載，或者利用靜態電流較小的元件、隨環境光線強度自動調整背光亮度，或者讓未使用的I/O通道或晶片進入休眠狀態，例如在未使用耳機的狀況下，讓音效處理晶片進入休眠狀況以減少功耗等方式。因此，電源管理可以說是同時處理電源轉換問題和降低系統功耗這兩大問題。此外，藉由整合以降低成本並縮小晶片體積，以及針對應用開發合適的電源管理元件，都是可攜式電源管理的發展方向。

提高轉換效率

目前消費者提倡能源的節約，也希望各種電子產品都能夠盡量節省電力，因此在電池有限的供電能力之下，電源轉換效率的提高成為設計人員最在乎的一件事。且電子產品如果電源效率不佳，就會伴隨熱的問題產生。因此利用交換式電源穩壓器取代舊式的線性穩壓器，以提高轉換效率，並延長電池使用壽命已漸漸成為趨勢。立錡科技行銷處技術行銷工程部專案副理陳俊聰表示，在電源轉換元件的選擇上，過去以線性的LDO轉換器居多，但現在卻多以效能較高的PWM交換式之DC/DC轉換器為主。傳統的線性LDO轉換器除了效率較差之外，還會伴隨發熱的問題。可攜式產品隨著功能的增加，整體的功耗也顯著提高，因此採用傳統的LDO來解決電源問題已不適合，不僅電源轉換效率較低，且使用時經常會發熱發燙。另外，隨著電子產品處理器的製程越來越先進也讓其工作電壓越來越低，傳統LDO已經不敷使用，因此高效率的交換式DC/DC轉換器漸漸成為現在可攜式產品的電源管理主流元件，其不僅可以提高電源轉換效率，也可解決生熱的問題。

而由於交換式電源與線性電源在各存在不同之優缺點，因此需先為產品做好定位，在體積、效率、噪訊、價格與電池使用時間等方面做好取捨，才能選擇對於系統最有利的電源管理方案。

除了更高效率的DC/DC轉換器之外，運用嵌入式作業系統將電源管理最佳化也是提高效率的可行的方法之一。

降低系統功耗

降低系統功耗是增長可攜式產品使用時間的另一項途徑。其方法除了選擇低功耗元件、降低系統電壓之外，並可依據系統不同的工作狀態進行調整，如系統若閒置便進入待機狀態、或以最低的運算頻率維持系統一定的工作狀態等方式。以多媒體手機為例，其耗電最多的元件依次為彩色LCD顯示器、喇叭、相機閃光燈、相機模組、通訊模組與MP3播放器等。其中光是LCD顯示器、喇叭與閃光燈之功率消耗便超過300mW，而喇叭在擴音時最高輸出功率甚至可高達2W。因此，為了延長電池使用時間，針對這些部份進行功耗的降低便勢在必行。

《圖四　依據產品定位決定採用線性或交換式設計》

LCD顯示器

色彩鮮豔亮麗的彩色LCD顯示器已經成為可攜式產品人機介面的標準配備。而其亮度、清晰度、解析度與彩度均較以往大幅提升的同時，耗電量也理所當然地增加，因此如何讓LCD顯示器能夠聰明管理電源攸關了系統的續航能力。

LCD顯示器的各部位零件都是電源管理可及之處，而耗電量最大的部份就是背光板。其亮度越高，所耗用之電量也越大，然而過高功耗的顯示器在可攜式產品上並不實用。目前LCD背光板以發光效率最高的白光LED最受青睞，這是由於LED背光板減少了如轉換器等外部元件，並以PWM（Pulse Width Modulation）脈衝寬度調節方式降低元件電流，藉以減少功耗。

喇叭

供應喇叭音頻放大輸出的音頻放大器（Amplifier）也是電源耗損之大戶，輸出功率最高可達750mW，使用擴音功能更高達2W。為了減少功耗進而提高電源使用效率，D類放大器也因運而生。D類放大器能夠輸出PWM訊號，其訊號包括音頻訊號、PWM開關訊號和諧波，而非AB類放大器所輸出的線性訊號。D類放大器比起AB類放大器更具有效率，因為輸出MOSFET會從極高阻抗切換至極低阻抗，在作用區（active region）的時間僅數奈秒。D類放大器能將輸出級的功耗降至最小；除此之外，LC濾波器或喇叭的電感性零件還會在每個週期中儲存能量，確保開關功率不會在喇叭中耗損。D類放大器以其數位技術宣告終結以類比技術為主的AB類放大器，原因無他，因為傳統AB類放大器，其輸出級的效率最高也只有70％，而D類放大器卻可將效率提升至85～90％。

另外，藉由先進製程技術，例如使用深次微米的CMOS製程來降低處理器工作電壓，也可達到減少晶片功耗的目的。深次微米CMOS製程可將CPU或DSP之工作電壓降至1V以下，同時可提供更小的晶片體積，更適合可攜式產品採用。利用製程的進步可達到更好的管理效能，而成本也不至於大幅增加。

結語

電源管理真是一門技術獨到的功夫，也難怪即使在數位科技大軍壓境之下，純類比的電源管理技術依然屹立不搖。儘管新一代的數位電源技術正蠢蠢欲動準備鯨吞蠶食類比電源領域，然而類比電源技術上獨特的不可取代性也讓其地位無法撼動。此外，人們對於電子產品可靠性、安全性需求日益增加的趨勢，也促使電路保護元件的迅速發展，預計往後在電源管理上也將成為一重點發展領域。而隨著消費性電子產品市場興起，各種用電需求大增，電源管理技術肯定還有一番龍爭虎鬥，消費者也儘管拭目以待。

延 伸 閱 讀	體積向來是掌上型應用的關鍵要素，由於這類產品多半以電池來供應電力，故電池大小以及電池數目自然會對產品的體積與外形造成極大影響。相關介紹請見「以單顆鹼性電池做為可攜式產品電源 」一文。 太網路供電（PoE）為數據終端、無線接入點、網路攝影鏡頭或網路電話之類連接到乙太網路埠的設備提供一種有效的電源解決方案。你可在「 電源管理晶片在乙太網路供電中的應用」一文中得到進一步的介紹。 電源技術隨著微處理器對電源需求的持續增長而日漸廣泛採用，微處理器已變得更快、更小、功能更強大，同時對電壓的波動也愈加敏感。在「多重市場電源管理為功率MOSFET增長注入強大動力 」一文為你做了相關的評析。

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