第三代移動通信(3G)手機(jī)來勢洶洶，業(yè)者無不全力開發(fā)新的功能結(jié)合到手機(jī)上，諸如MP3播放器、數(shù)碼相機(jī)、全球定位系統(tǒng)(GPS)、電視接收系統(tǒng)、廣播系統(tǒng)、視訊電話、信用卡功能等。當(dāng)功能愈多時，對電源需求的質(zhì)與量就相對愈高。然而，手機(jī)在市場上又逐漸發(fā)展成消耗性產(chǎn)品，取代性相當(dāng)高，產(chǎn)品生命周期短。若不在最短的時間內(nèi)開發(fā)最符合消費(fèi)者需要的產(chǎn)品，則獲利必然被壓縮。因此工程師必須熟悉各種電源管理IC之優(yōu)缺點(diǎn)與使用方式，才能在最短的時間內(nèi)創(chuàng)造最大的利潤。本文將針對各種電源管理IC的動作原理作深入淺出的介紹，并說明各大廠商所主推之離散式及整合式電源系統(tǒng)。

1. 發(fā)展背景

便攜式產(chǎn)品的電源一般是以鋰電池和鎳氫電池為主，其特性如表1。由此可見，就單位體積或單位重量之蓄電量而言，鋰電池優(yōu)于鎳氫電池，因此鋰電池便成為便攜式電源產(chǎn)品IC的最佳選擇。

而移動電話的功耗大部分來自輸出電壓為1.1V~3.3V之間的電壓，若由鎳氫電池的低電壓轉(zhuǎn)至高電壓，則效率較差。一般是以鋰電池的3.3V以上之電壓轉(zhuǎn)至3.3V以下之低電壓，效率較佳。因此當(dāng)選擇鋰電池之后，欲設(shè)計的轉(zhuǎn)換器大多仍以降壓式轉(zhuǎn)換器為主。而降壓式轉(zhuǎn)換器常用的電路架構(gòu)有三種，分別為低壓降壓轉(zhuǎn)換器(LDO)、電荷泵(Charge pump)、降壓轉(zhuǎn)換器(Buck converter)。此外為了設(shè)計方便，想在同一個電路上得到升壓或降壓的作用，可選擇單端初級電感轉(zhuǎn)換器(Single-ended Primary Inductor Converter，SEPIC)，以下將針對各種轉(zhuǎn)換器進(jìn)行介紹。

2. LDO動作原理及特點(diǎn)

低壓降轉(zhuǎn)換器(Low-Dropout，LDO)電路架構(gòu)如圖1，其操作原理為：當(dāng)輸入電壓VI>Vo時，通過晶體管吸收VI和Vo的電壓差Vdropout = VI - Vo，并由反饋控制電路控制，以提供平穩(wěn)的輸出電壓Vo。由于晶體管操作于主動區(qū)，其作用如同一個可變電阻，即消耗功率為P= I×Vdropout，當(dāng)電壓差Vdropout和電流I愈大，則轉(zhuǎn)換效率愈低。

LDO特點(diǎn)如下：
• 容易使用：只須于輸入輸出端各加一個外部電容即可。
• 效率低：通常VI =Vout時可達(dá)85%，然而VI >Vout時，效率可滑落至25%以下。
• 無EMI或輸出紋波，可配合音頻(Audio)電路或射頻(Radio)電路使用。
• 容易發(fā)熱，溫度問題難解。
• 價錢便宜。

常用的低壓降轉(zhuǎn)換器IC如LM317、LM337，TI的110x、TPS6112x、TPS6113x，凌特公司的LT1963、LTC1705、LT1764，美國國家半導(dǎo)體公司的LP398X，或MAXIM的MAX886X/887X/888X等都是。

3. 電荷泵電路動作原理及特點(diǎn)

電荷泵電路通常又稱為切換式電容轉(zhuǎn)換器(Switched capacitor converter)包含二極管或切換開關(guān)與電容的切換網(wǎng)絡(luò)，其IC內(nèi)部具有兩個可控式開關(guān)與振蕩器，其外部接兩個電容，此電路亦可由離散元件組成，只要一個振蕩器，如NE555與一個邏輯反向，如4009UB及兩個二極管和兩個電容即可組成簡單的電荷泵電路。然而電荷泵的電路除應(yīng)用于降壓外，仍可應(yīng)用于升壓。

電荷泵電路的特點(diǎn)如下：
• 容易使用：除輸入輸出端各加一個電源外，再加一個泵電容(Cpump)即可。
• 相較于LDO，電路效率較高。
• 低EMI或輸出紋波。
• 輸出電源的瓦數(shù)和VI /Vout電壓比值受限。
• 價錢中等。

常用的電荷泵電路IC如TI的TPS601XX~TPS603XX，凌特公司的LTC1682、LTC1516/17，或MAXIM的/1912/1916，ON semiconductor的NCP5603等都是。若欲知更多的零件種類，可連接至TI、凌特公司、或MAXIM的網(wǎng)站查。

4. 降壓轉(zhuǎn)換器動作原理及特點(diǎn)

降壓轉(zhuǎn)換器(Buck converter)特點(diǎn)如下：
• 使用上需加電感與外部的MOSFET。
• 價錢較高。
• 效率最高，溫度問題容易解。
• 高EMI 或輸出紋波，在電路板布局(Lay out)時要多注意。
• 適合操作于輸出入電壓差較大的情況(高Vout/VI)。

常用的降壓轉(zhuǎn)換器電路IC如TI的TPS43000、TPS40021，凌特公司的LTC3404、LTC3713、LT1576，或MAXIM的MAX1970、MAX5073等都是。若欲知更多的零件種類，可連接至相關(guān)網(wǎng)站查閱。

5.  SEPIC電路的動作原理及特點(diǎn)

單端初級電感轉(zhuǎn)換器SEPIC(Single-ended Primary Industry Converter)電路架構(gòu)較為復(fù)雜。電路特點(diǎn)如下：
• 不易使用：需較電荷泵電路多加兩個電感、一個電容和晶體管與二極管各一。
• 效率高，但較降壓式轉(zhuǎn)換器低。
• 高EMI及輸出紋波，在電路板布局時要注意。
• 可當(dāng)作升壓與降壓使用。
• 可應(yīng)用于高輸出電流的場合。
• 價錢最高，由于需要搭配的元件數(shù)較多所致。

常用的SEPIC電路IC如TI的TPS6113X、UCC39421，凌特公司的LT1512、LT1513、LTC1871，或MAXIM的MAX668、MAX669等都是。若欲知更多的零件種類，可連接至相關(guān)網(wǎng)站查閱。
表面上看來，此電路可使電池的供電時間增加，但事實(shí)并非如此。根據(jù)表2，針對600mAH的電池所作的報告來看，雖然降壓轉(zhuǎn)換電路無法引用到電池電壓為3.3V~2.7V的區(qū)間，然而由于降壓式轉(zhuǎn)換電路的效率較高的原因造成電池的壽命周期是幾乎相同的。因此市場上的整合性電源管理元件仍以降壓式轉(zhuǎn)換器和LDO為主流。

6. 整合電源管理元件

在3G手機(jī)中，射頻單元的電壓控制振蕩器(VCO)與鎖相回路(PLL)需要低雜波和高電源與雜波的拒斥比，以確保傳輸效能，故必須用LDO，而DSP和中央處理器之核心電壓，可以高效率之降壓式轉(zhuǎn)換器執(zhí)行之，屏幕背光照明所用的白光二極管，可以電荷泵電路或降壓式轉(zhuǎn)換器得到，但使用切換式的降壓轉(zhuǎn)換器要注意到其切換頻率與二次和三次諧波，都保持在接收機(jī)的中頻頻帶之外，否則易產(chǎn)生干擾。

以此種多組而復(fù)雜的電源輸出為了考慮到低成本、小體積與減少設(shè)計時間的考慮，一般會將多組的電源整合在一起，如TI的TP65010、TPS5100、PS61130等，或MAXIM的MAX1586A/B、MAX8621等，這些零件具有非常大的方便性，因?yàn)樗紤]到一般智慧型手機(jī)所需要的各組與各種類的電源搭配， 并組合成一個整合性的晶片，但其缺點(diǎn)是一旦使用后，則被取代性不高，當(dāng)缺料時，會是一大問題。