为便携式系统挑选理想电源管理方案

　　在更多地考虑电源管理方面问题的情况下，便携式电子产品的构架可用图1表示。今天，大部分便携式电子产品都采用锂电池为系统提供供电，而电源管理在整个系统中所发挥的作用主要包括三个方面：电池管理，充电、保护、剩余电量测量；功率转换，利用电池的供电为负载提供适当的电压及电流；负载管理，提高用电效率，充分发挥能源效益。
　　通常，便携式电子产品的负载可分为两大类：一种是属于数字子系统(核心及输入/输出)的负载，而另一种则是信号路径(模拟或射频信号)的负载。由于这两类负载需要的电压/电流都各不相同，因此系统的电源供应需要进行不同的功率转换，以便为不同负载馈送不同的电压/电流。
　　可以提供“功率转换”功能的芯片基本上采用三种不同的功率转换技术，因此功率转换器基本上也分为三大类，即低压降稳压器、电感式直流/直流转换器及开关电容器直流/直流转换器。图2所介绍的便是这三种不同的电路布局。
　　数字子系统及信号路径作为负载对电源有各自不同的要求，我们必须分别予以考虑，并做出适当的取舍，才可确保系统能够充分发挥其性能。

　　专为数字核心及输入/输出而设的功率转换器
　　处理器核心及数字输入/输出等数字子系统耗用较多的供电，而且新一代的数字子系统需要的供电电压(Vcc)远比输入的电源供应低，有时甚至低至1V。此外，处理器必须长时间开启，即使处于待机状态也不能关闭。先进的电感式同步降压稳压器可以满足数字负载的这些特性。
　　电感式直流/直流转换器采用半桥接式输出级，后接低通滤波器。这种转换器的主要优点是无论输出/输入电压比(V_OUT/V_IN)有多大，都能以极高的效率输出稳定电压。
　　但这种技术既有优点，也有缺点，而且大部分问题都源自电感器，因此选择外接元件时便需要小心考虑相关的因素。例如，电感值(即电感器体积)越小，纹波电流便越大，虽然要确保系统体积小巧，便必须采用极小巧的元件，但系统设计工程师必须明白鱼与熊掌不能兼得。
　　提高开关频率的好处是系统可以采用较小型的电感器，但开关频率越高，开关损耗也就越大，转换效率也会相应下降，因为开启及关闭MOSFET时会出现时间上的延迟，而且以更高速度为栅极电容器充电会耗用更多电能。MOSFET的栅极及源极之间存在电容器效应，当电容器进行“充电”时，MOSFET无法达到饱和的状态（漏极源极电阻 (R_DS-ON) 不是处于最低点）。生产半桥接式高集成度直流/直流转换器的厂商有责任将其中的影响减至极低。

　　对于需要预先确定di/dt噪音频率的系统来说，设有PWM模式的固定频率直流/直流转换器是理想的电源管理解决方案。但PWM的缺点是需要比较高的操作电流的支持。若负载只有“全速”或关闭两种操作模式，这个缺点即可忽略不计。但对于即使处于待机状态仍然需要获得供电电流的数字处理器或易失性存储器来说，我们便需要采用可以随时转换到脉冲跳跃或PFM 模式的芯片。
　　以PFM模式来说，只有在输出电压跌穿比较器的阈值时，半桥接芯片的顶部MOSFET才会启动。与此同时，P通道MOSFET随即启动，而输出滤波器也会重新充电。这个操作PFM模式会持续, 直至检波器显示输出电流升越某一阈值, 再转入PWM模式。PFM模式有两大优点：由于许多内部电路已关闭，因此直流/直流转换器的操作电流会大幅下降；此外，内部电路在有需要时(而非在每一时段的开始)才启动或关闭，有助将输出级的开关损耗减至极低。
　　一如所有电源管理系统，上述设计也有本身的缺点。以PFM模式来说，由于频率并非固定，因此di/dt 噪音便变得不可预测。但经过优化的PFM模式可以以额定的固定频率或接近这一频率进行开关操作。其输出的纹波很小，全部由输出电容器充电/放电产生，因此EMI可说微不足道。
　　若效率要求并非这么严格，开关电容器降压稳压器是另一理想的选择。这种电路布局无需采用电感器，但效率则高于低压降稳压器芯片。若与电感式直流/直流转换器比较，采用开关电容器降压稳压器不但可以缩小印刷电路板的体积，而且还有助降低系统成本。图3分别列出电感式开关稳压器（面积约为 7 mm × 5 mm）及开关电容器降压稳压器（面积约为 5 mm × 5 mm）的印刷电路板布局及面积。

　　信号路径的功率转换
　　信号路径芯片的功率转换过程与数字子系统有颇大的不同。信号路径芯片面对的是“真实世界”的模拟信号，因此必须确保信号的完整性。基于这个原因，信号路径的电源管理系统需要优先考虑的因素便大不相同。信号路径的电源管理系统很多时候都采用低压降稳压器，而且是这类电源管理系统最常用的线路设计。
　　由于这种线性芯片要求的输出电压较高，而要求的输出电流则相对较低，因此功耗对系统的整体效率只有轻微的影响。由于这些芯片的负载较为稳定，因此可以集中改善电源抑制及压降以提升效率。