电源管理设计(2)

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前言：除了用电量愈来愈大外，手持式装置（Handheld Device）的电源设计之所以日益困难，有一个大因素是在于「单机的应用功能愈来愈多广」，同时「既有的系统环节也不断在演进提升」，例如显示从黑白变彩色、通讯从GSM转向3G、背光从EL/CCFL转成WLED等。

所以，對設計者而言不單要瞭解「供電端」的特性，還更要瞭解「用電端」的特性，理由是供電端的技術變化不大，且供電用組件的規格提升較緩，相對的，用電端的變化就相當快速，連類型也經常劇烈變化，因此要完成手持式的電源設計，「用電端」的特性可謂不能不知。

所以，对设计者而言不单要了解「供电端」的特性，还更要了解「用电端」的特性，理由是供电端的技术变化不大，且供电用组件的规格提升较缓，相对的，用电端的变化就相当快速，连类型也经常剧烈变化，因此要完成手持式的电源设计，「用电端」的特性可谓不能不知。

▲AMD超微公司針對手持式應用而提出Alchemy系列的處理器，圖為Au1550處理器，該晶片內具有嵌入式安全技術。

▲AMD超微公司针对手持式应用而提出Alchemy系列的处理器，图为Au1550处理器，该晶片内具有嵌入式安全技术。

（圖片來源：AMD.com）

（图片来源：AMD.com）

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■ 控制、運算子系統

■ 控制、运算子系统

為了實現更多的酷炫應用（如：Java遊戲、3D遊戲、MPEG-4視訊等），手持式裝置的處理器不斷在增強運算效能，但同時也讓用電量大增，雖然晶片業者今日多在處理器內追增DSP架構型態的功效核心，以加速多媒體方面的應用運算，進而讓用電獲得精省，但精省的幅度依舊有限，處理器的用電量仍然為成長態勢。

为了实现更多的酷炫应用（如：Java游戏、3D游戏、MPEG-4视讯等），手持式装置的处理器不断在增强运算效能，但同时也让用电量大增，虽然晶片业者今日多在处理器内追增DSP架构型态的功效核心，以加速多媒体方面的应用运算，进而让用电获得精省，但精省的幅度依旧有限，处理器的用电量仍然为成长态势。

尤其是在處理器的核心用電方面，隨著半導體縮密製程技術的提升，其工作電壓愈來愈低，但工作時脈愈來愈高、電晶體用量也愈來愈多，其電流量需求也進而大增，必須用更低的輸出電壓（多在1點多伏特的層級）、更高的輸出電流（多在數百毫安培的層級），這就是一項難度挑戰。

尤其是在处理器的核心用电方面，随着半导体缩密制程技术的提升，其工作电压愈来愈低，但工作时脉愈来愈高、电晶体用量也愈来愈多，其电流量需求也进而大增，必须用更低的输出电压（多在1点多伏特的层级）、更高的输出电流（多在数百毫安培的层级），这就是一项难度挑战。

此外，處理器不會一直處在尖峰運算的狀態，新的處理器都允許動態性地調整工作電壓，當運算負荷（Workload）繁重時需要較高的工作電壓，反之運算輕載時（如：待機狀態、查詢狀態、螢幕保護程式等）則可降低電壓，此機制一般稱為DVS（Dynamic Voltage Scaling，動態電壓延展）。

此外，处理器不会一直处在尖峰运算的状态，新的处理器都允许动态性地调整工作电压，当运算负荷（Workload）繁重时需要较高的工作电压，反之运算轻载时（如：待机状态、查询状态、萤幕保护程式等）则可降低电压，此机制一般称为DVS（Dynamic Voltage Scaling，动态电压延展）。

DVS的想法概念已很普及，但各晶片業者各行其是，相互間並無交換標準，倘若設計過程中決議換替手持式處理器，那麼就必須重新瞭解另一個處理器的供電特性，並重新審視、修改原有的供電設計，截至目前為止都是如此，至多是同業者、同系列晶片的設計概念、法則經驗能有較大的沿用性。

DVS的想法概念已很普及，但各晶片业者各行其是，相互间并无交换标准，倘若设计过程中决议换替手持式处理器，那么就必须重新了解另一个处理器的供电特性，并重新审视、修改原有的供电设计，截至目前为止都是如此，至多是同业者、同系列晶片的设计概念、法则经验能有较大的沿用性。

目前比較有可能成為手持式動態調壓標準的，是安謀國際（ARM）與美國國家半導體（NS）合作研擬的PWI（PowerWise Interface）標準，2003年10月即提出PWI v1.0版，2005年9月再提出PWI v2.0版，PWI雖然採開放規格、不收取任何技術授權費，但就ARM與NS的營運立場而言，仍有助於ARM的SIP（矽智財授權）業務與NS的PMIC（電源管理用晶片）業務。

目前比较有可能成为手持式动态调压标准的，是安谋国际（ARM）与美国国家半导体（NS）合作研拟的PWI（PowerWise Interface）标准，2003年10月即提出PWI v1.0版， 2005年9月再提出PWI v2.0版，PWI虽然采开放规格、不收取任何技术授权费，但就ARM与NS的营运立场而言，仍有助于ARM的SIP（矽智财授权）业务与NS的PMIC（电源管理用晶片）业务。

除此之外，也有許多晶片內的動態調壓省電技術，如全美達（Transmeta）的LongRun2，或如益華電腦（Cadence）的DVFS（Dynamic Voltage and Frequency Scaling）等，然這已不屬Board/Card層次的省電設計，而是Chip/Die層次的省電設計，不在此次的討論之列。

除此之外，也有许多晶片内的动态调压省电技术，如全美达（Transmeta）的LongRun2，或如益华电脑（Cadence）的DVFS（Dynamic Voltage and Frequency Scaling）等，然这已不属Board/Card层次的省电设计，而是Chip/Die层次的省电设计，不在此次的讨论之列。

▲一般性的PWI 2.0系統概念圖，NS稱PWI為Adaptive Voltage Scaling Technology（自適性電壓調整技術）。

▲一般性的PWI 2.0系统概念图，NS称PWI为Adaptive Voltage Scaling Technology（自适性电压调整技术）。

（圖片來源：www.PWIstandard.org）

（图片来源：www.PWIstandard.org）

■ 記憶、儲存子系統

■ 记忆、储存子系统

記憶體方面主要區分成揮發性（RAM）與非揮發性（ROM），揮發性方面若只有極少量需求可以只使用處理器內建的暫存器群（一般喜歡講Register File或Register Bank），然多數情況下暫存器群的容量並不敷使用，所以還是有很高的機會要用上外接的RAM記憶體，小用量需求時可用SRAM，大用量時則要用DRAM（如：SDR SDRAM）。

记忆体方面主要区分成挥发性（RAM）与非挥发性（ROM），挥发性方面若只有极少量需求可以只使用处理器内建的暂存器群（一般喜欢讲Register File或Register Bank），然多数情况下暂存器群的容量并不敷使用，所以还是有很高的机会要用上外接的RAM记忆体，小用量需求时可用SRAM，大用量时则要用DRAM（如：SDR SDRAM ）。

不過，近年來也有了新變化，由於SRAM過於耗電，因此開始有所謂的PSRAM（Pseudo-SRAM，假偽型SRAM），PSRAM實為DRAM的結構、原理，但存取特性上卻與傳統SRAM相仿，使用PSRAM取代SRAM能夠讓設計更加省電。

不过，近年来也有了新变化，由于SRAM过于耗电，因此开始有所谓的PSRAM（Pseudo-SRAM，假伪型SRAM），PSRAM实为DRAM的结构、原理，但存取特性上却与传统SRAM相仿，使用PSRAM取代SRAM能够让设计更加省电。

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▲由於傳統SRAM過於耗電，因此開始有所謂的PSRAM（Pseudo-SRAM，假偽型SRAM），PSRAM實為DRAM的結構、原理，但存取特性上卻與傳統SRAM相仿，使用PSRAM取代SRAM能夠讓設計更加省電，圖為Micron（美光）的PSRAM，稱為CellularRAM系列。

▲由于传统SRAM过于耗电，因此开始有所谓的PSRAM（Pseudo-SRAM，假伪型SRAM），PSRAM实为DRAM的结构、原理，但存取特性上却与传统SRAM相仿，使用PSRAM取代SRAM能够让设计更加省电，图为Micron（美光）的PSRAM，称为CellularRAM系列。

（圖片來源：Micron.com）

（图片来源：Micron.com）

至於DRAM部份則改變不大，從過往的EDO RAM全面換成SDR SDRAM後，只會隨著產銷發展逐漸進展到DDR SDRAM及更後續的DDR2 SDRAM，倒是Palm公司曾在過去推出完全用NAND Flash為機內記憶體的PDA，因此未來也有可能朝此設計方向考慮：用NAND Flash替代DRAM。

至于DRAM部份则改变不大，从过往的EDO RAM全面换成SDR SDRAM后，只会随着产销发展逐渐进展到DDR SDRAM及更后续的DDR2 SDRAM，倒是Palm公司曾在过去推出完全用NAND Flash为机内记忆体的PDA，因此未来也有可能朝此设计方向考虑：用NAND Flash替代DRAM。

在非揮發記憶體的環節方面，還要細分成「程式用」與「資料用」，「程式用」多使用處理器內建的ROM，由於今日手持式設計的變化快速，所以多採行能重複變更儲存內容的Flash，且為了存取快速多使用NOR Flash，只有在無內建或內建容量不足時才會使用外接的NOR Flash。

在非挥发记忆体的环节方面，还要细分成「程式用」与「资料用」，「程式用」多使用处理器内建的ROM，由于今日手持式设计的变化快速，所以多采行能重复变更储存内容的Flash，且为了存取快速多使用NOR Flash，只有在无内建或内建容量不足时才会使用外接的NOR Flash。

而「資料用」部份，在少量需求時最方便使用的是串列傳輸型EEPROM，多量時則當用NAND Flash，更多量則使用Micro Drive（微型硬碟），不過在用電上也是Micro Drive最耗，NAND Flash、EEPROM較低。

而「资料用」部份，在少量需求时最方便使用的是串列传输型EEPROM，多量时则当用NAND Flash，更多量则使用Micro Drive（微型硬碟），不过在用电上也是Micro Drive最耗，NAND Flash、EEPROM较低。

▲微型硬碟的用電高過一般的記憶卡，以同為CF＋TypeⅡ介面而言，記憶卡最高100mA，而微型硬碟則為500mA，然微型硬碟在高容量應用的價格容量比上有無可取代的優勢。

▲微型硬碟的用电高过一般的记忆卡，以同为CF＋TypeⅡ介面而言，记忆卡最高100mA，而微型硬碟则为500mA，然微型硬碟在高容量应用的价格容量比上有无可取代的优势。

圖為Hitachi（HGST）的6GB微型硬碟。

图为Hitachi（HGST）的6GB微型硬碟。

（圖片來源：HGST.com）

（图片来源：HGST.com）

■ 顯示、背光子系統（含LED指示燈號）

■ 显示、背光子系统（含LED指示灯号）

顯示方面，LCD（無論STN或TFT）屬被動顯示，其背部需要有光源（一般簡稱：背光；Backlight）才能顯現，若是OLED則屬主動顯示，不需要有背光設計，甚至往後還有可能用OLED來做背光源，且是較具光均性的面光源。

显示方面，LCD（无论STN或TFT）属被动显示，其背部需要有光源（一般简称：背光；Backlight）才能显现，若是OLED则属主动显示，不需要有背光设计，甚至往后还有可能用OLED来做背光源，且是较具光均性的面光源。

背光方面過去多只能用面光源（EL）、線光源（CCFL），近年來則因為技術突破，使白光型LED（點光源）的發光效率大增，讓背光源又多出了一種新選擇，同時也能充當簡易型的攝像用閃光燈（Flashlight）。

背光方面过去多只能用面光源（EL）、线光源（CCFL），近年来则因为技术突破，使白光型LED（点光源）的发光效率大增，让背光源又多出了一种新选择，同时也能充当简易型的摄像用闪光灯（Flashlight）。

關於背光源的選擇，同樣也是種權衡取捨的考量，就驅動電路簡易性來說WLED當屬第一，勝過EL與CCFL，但也最不省電。

关于背光源的选择，同样也是种权衡取舍的考量，就驱动电路简易性来说WLED当属第一，胜过EL与CCFL，但也最不省电。

CCFL與EL雖然較省電，但電路就稍嫌複雜，EL需要有正向頻率弦波才能驅動（多是階梯、刻度型脈波來逼近、模擬正弦波波形），且驅動電壓要高，而CCFL也要正逆向的交流電才能驅動，一樣要較高的驅動電壓。

CCFL与EL虽然较省电，但电路就稍嫌复杂，EL需要有正向频率弦波才能驱动（多是阶梯、刻度型脉波来逼近、模拟正弦波波形），且驱动电压要高，而CCFL也要正逆向的交流电才能驱动，一样要较高的驱动电压。

當然！

当然！

WLED有時也需要較高的驅動電壓，特別是以串聯方式驅動一個以上的WLED時，每加串一個就需要加倍的電壓才能讓WLED順向導通，進而驅動發光。

WLED有时也需要较高的驱动电压，特别是以串联方式驱动一个以上的WLED时，每加串一个就需要加倍的电压才能让WLED顺向导通，进而驱动发光。

不過WLED不需要反相，也不需要弦波，控制亮度只需用PWM方式調整Duty Cycle（工作週期，另也有人翻譯成：占空比）即可。

不过WLED不需要反相，也不需要弦波，控制亮度只需用PWM方式调整Duty Cycle（工作周期，另也有人翻译成：占空比）即可。

不過，手持裝置的設計者也不用過度擔心，今日已有許多類比IC業者針對WLED應用需求而推出WLED驅動晶片，不僅可以驅動WLED背光、WLED閃光，連帶也能操控、管理一般的LED指示燈號（如：綠光LED、紅光LED等）。

不过，手持装置的设计者也不用过度担心，今日已有许多类比IC业者针对WLED应用需求而推出WLED驱动晶片，不仅可以驱动WLED背光、WLED闪光，连带也能操控、管理一般的LED指示灯号（如：绿光LED、红光LED等）。

或者，也有晶片業者已將電源調節、轉換的功效內建到顯示驅動IC內（如：有的OLED驅動IC已內建DC/DC控制器，省去自行設計供電上的升壓電路），這樣就可以省去自行設計的功夫與程序。

或者，也有晶片业者已将电源调节、转换的功效内建到显示驱动IC内（如：有的OLED驱动IC已内建DC/DC控制器，省去自行设计供电上的升压电路），这样就可以省去自行设计的功夫与程序。

要補充的是，該用何種供電調整、轉換方式來因應背光需求呢？

要补充的是，该用何种供电调整、转换方式来因应背光需求呢？

線性降壓絕對是出局，因為手持式裝置所用的電池在電壓上幾乎都低於背光所需的驅動電壓，所以必須用升壓，而電容切換、電感切換兩種技術都可以達到升壓，到底該採行何種呢？

线性降压绝对是出局，因为手持式装置所用的电池在电压上几乎都低于背光所需的驱动电压，所以必须用升压，而电容切换、电感切换两种技术都可以达到升压，到底该采行何种呢？

關於此可以從三點來考量：佈局空間、轉換效率、電壓品質，倘若對電壓品質沒有很高的要求，則電感法、電容法皆可使用，反之則選電容法，此外佈局空間拘限時也以電容法優先考量。

关于此可以从三点来考量：布局空间、转换效率、电压品质，倘若对电压品质没有很高的要求，则电感法、电容法皆可使用，反之则选电容法，此外布局空间拘限时也以电容法优先考量。

至於轉換效率方面，若對效率很苛求自然得選電感法。

至于转换效率方面，若对效率很苛求自然得选电感法。

▲NS美國國家半導體公司的LM27951、LM27952、LM27964等白光LED驅動晶片，由於使用電容式切換調壓技術，所以外部不需使用電感元件，進而能以更小的電路面積來實現LED驅動電路，同時也有較高的供電轉換效率（與線性降壓相比），有助於延長手持裝置的電池使用時間。

▲NS美国国家半导体公司的LM27951、LM27952、LM27964等白光LED驱动晶片，由于使用电容式切换调压技术，所以外部不需使用电感元件，进而能以更小的电路面积来实现LED驱动电路，同时也有较高的供电转换效率（与线性降压相比），有助于延长手持装置的电池使用时间。

（圖片來源：National.com）

（图片来源：National.com）

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■ 音源、音效子系统

關於音源、音效的供電設計，必須從兩方面來看，一是音訊的信號處理、傳輸（前級），另一是音效的功率放大、播放（後級）。

关于音源、音效的供电设计，必须从两方面来看，一是音讯的信号处理、传输（前级），另一是音效的功率放大、播放（后级）。

在前級方面，在這個階段音訊只是微弱的類比信號，因此必須以高品質的工作電壓才能盡量減少類比信號在傳輸處理時的失真，既然品質被放在第一高位，且並非很高的電壓需求（用於參考電壓，Vref），所以必然是使用線性降壓來供電。

在前级方面，在这个阶段音讯只是微弱的类比信号，因此必须以高品质的工作电压才能尽量减少类比信号在传输处理时的失真，既然品质被放在第一高位，且并非很高的电压需求（用于参考电压，Vref），所以必然是使用线性降压来供电。

至於後級，過往為了省電多採AB類的音效功率放大設計，理由是A類放大過於耗電，C類雖比AB類更省電但卻有高失真度的問題，所以只好採行AB類，目前也仍有許多行動用裝置是採行AB類，然而再精良的AB類功率放大電路都難以將功率轉換率提升至70％以上。

至于后级，过往为了省电多采AB类的音效功率放大设计，理由是A类放大过于耗电，C类虽比AB类更省电但却有高失真度的问题，所以只好采行AB类，目前也仍有许多行动用装置是采行AB类，然而再精良的AB类功率放大电路都难以将功率转换率提升至70％以上。

但是，近年來技術又有了新變化，D類放大器的出現，運用PWM方式來進行功率放大，雖然音質較AB類為差，但也未至C類的糟糕水準，然電源轉換效率卻極佳，一般都在80％以上，加上手持式應用多在背景吵雜的公共場合，所以「D類放大」逐漸成為新的音效功率放大主流，也因此有許多類比IC業者推出D類放大的音效功率晶片。

但是，近年来技术又有了新变化，D类放大器的出现，运用PWM方式来进行功率放大，虽然音质较AB类为差，但也未至C类的糟糕水准，然电源转换效率却极佳，一般都在80％以上，加上手持式应用多在背景吵杂的公共场合，所以「D类放大」逐渐成为新的音效功率放大主流，也因此有许多类比IC业者推出D类放大的音效功率晶片。

更理想的是，D類放大的電路也較為簡易、簡潔，需求的佈局空間極少，所以不僅適合用在內部空間有限的手持、行動裝置上，許多固定運用但有超薄設計理念的產品（如：超薄超平面電視的配屬喇叭、汽車車門內的喇叭）也傾向使用D類放大。

更理想的是，D类放大的电路也较为简易、简洁，需求的布局空间极少，所以不仅适合用在内部空间有限的手持、行动装置上，许多固定运用但有超薄设计理念的产品（如：超薄超平面电视的配属喇叭、汽车车门内的喇叭）也倾向使用D类放大。

此外還要提醒一點，由於D類放大採行PWM方式來重現聲波波形，過程中會用上與電容、電感式切換式調壓相同的技術，所以D類放大也有EMI雜訊放射、干擾的問題，這必須事先注意。

此外还要提醒一点，由于D类放大采行PWM方式来重现声波波形，过程中会用上与电容、电感式切换式调压相同的技术，所以D类放大也有EMI杂讯放射、干扰的问题，这必须事先注意。

■ 攝影、錄影子系統

■ 摄影、录影子系统

無論是靜態的畫面拍攝，還是動態的連續錄像，都需要用上影像感測元件（Image Sensor），過往以來多是用CCD Image Sensor，但近年來有大量普及、換用CMOS Image Sensor的趨勢。

无论是静态的画面拍摄，还是动态的连续录像，都需要用上影像感测元件（Image Sensor），过往以来多是用CCD Image Sensor，但近年来有大量普及、换用CMOS Image Sensor的趋势。

為何會如此？

为何会如此？

幾個原因，CCD Image Sensor的驅動方式複雜，需要反相、交流電壓，相對的CMOS Image Sensor只需要正向電壓即可驅動，同時論佈局空間佔用、耗電等也都是CMOS Image Sensor佔優勢，雖然CMOS Image Sensor仍有些方面不如CCD Image Sensor，如光線趨暗時的感測性、感測雜訊等，但這類的問題仍持續以精進方式降低或克服。

几个原因，CCD Image Sensor的驱动方式复杂，需要反相、交流电压，相对的CMOS Image Sensor只需要正向电压即可驱动，同时论布局空间占用、耗电等也都是CMOS Image Sensor占优势，虽然CMOS Image Sensor仍有些方面不如CCD Image Sensor，如光线趋暗时的感测性、感测杂讯等，但这类的问题仍持续以精进方式降低或克服。

■ 結尾

■ 结尾

除了無線通訊系統（如：GPS、Bluetooth、GSM等）外，本文大體上探述了所有與可攜式設計相關的組件用電特性及子系統，不過無線方面的用電設計也屬高品質要求（類比性的微弱電波），所以多不容許使用切換式的電壓調整，幾乎都用線性降壓來設計，然而在切換式調壓技術不斷提升後，其供電品質也有所改善，部份無線應用也有改採切換式調壓的設計。

除了无线通讯系统（如：GPS、Bluetooth、GSM等）外，本文大体上探述了所有与可携式设计相关的组件用电特性及子系统，不过无线方面的用电设计也属高品质要求（类比性的微弱电波），所以多不容许使用切换式的电压调整，几乎都用线性降压来设计，然而在切换式调压技术不断提升后，其供电品质也有所改善，部份无线应用也有改采切换式调压的设计。

▲Zetex半導體公司的D類音效功率放大器（Class D audio amplifier）晶片：ZXCD1000。

▲Zetex半导体公司的D类音效功率放大器（Class D audio amplifier）晶片：ZXCD1000。

D類放大的用電效率高於AB類。

D类放大的用电效率高于AB类。

（圖片來源：Zetex.com）

（图片来源：Zetex.com）