如今的便攜式消費電子產品如手機、智能手機、PDA和媒體播放器都有非常豐富的功能和特點。這些產品有高、中、低端之分，性能水平和體積也各不相同。一般來說，便攜式應用的體積越來越小，功能越來越豐富，性能越來越高，但功耗始終很高。

　　例子數不勝數，比如300多萬像素的拍照手機的高分辨率攝像頭，數碼相機中電流超過1A或氙閃光燈的單個大功率閃光燈LED，智能手機或媒體播放器中的高級音頻或功放系統，以及大多數便攜應用中的高分辨率LCD顯示屏。

　　設計人員面臨著同時滿足靜態和動態電源管理要求的挑戰。隨著便攜式產品功能的日益豐富，應用對單電源提出了更高的要求，導致功耗顯著增加，電池壽命相應縮短。

　　此外，模擬和數字基帶處理器單元、中央處理器單元，特別是各種新型圖形和音頻專用處理器，在先進和集成方面都在不斷改進。隨著產品功能的增加，集成電路的集成度也在提高，因此需要更多的電源軌，或者在相同數量的電源軌上施加更高的電源電流。

　　大多數便攜式消費產品使用標準的高性能鋰離子電池(通常是單電池配置)。鑒于電池電量有限，廠商不得不在以下兩種情況下做出決定：要么為用戶提供豐富的應用但忍受短暫的電池續航時間，要么犧牲應用的豐富功能來保證長續航時間。但如今的消費者不僅想要獲得高端產品，還要求電池有較長的使用壽命。

　　便攜式系統中的動態電壓調整(Vbat大于Vrail)

　　鋰離子電池技術中最常見的電壓范圍是4.2V~3.0V，一方面新電池或未來的化學技術將實現高達4.5V的電壓，另一方面需要將放電截止電壓降至3 V，這意味著可用的輸入電壓范圍變得更寬，因此可以在此范圍內增加更多的電壓軌。

　　現在的系統電壓軌通常低于3V(如處理器核心電源、I/O電源、內存電源)或高于5V。這些電壓軌通常由分立的LDO、中或低功率DC/DC轉換器、多通道電源管理單元(PMIC)或模擬基帶(ABB)單元以及其他來源產生。電源管理設計為各種處理器提供必要的電壓軌、正確的電壓和電流。如果應用程序切換到“關閉”或預定義的“節能”模式，通常，所有處理器和電源管理設備都將進入輕負載或待機模式。這樣，電壓電平將被降低，并且電流消耗將被最小化。在最好的情況下，每個集成電路只消耗幾個uA的電流。以上情況為靜態，一旦電源管理設計完成，電壓軌受影響的可能性極小。圖2:雙通道降壓轉換器的單線Easyscale接口

　　最近推出的分立低功耗降壓DC/DC轉換器和高度集成的多通道電源管理單元(PMIC)已經具備串行I2C接口能力。隨著串行接口在分立電源管理器件中的使用，對電壓軌的影響將進一步降低。通過結合軟件工具、處理器控制功能和串行標準I2C接口，實現了數字單元和模擬電源管理集成電路之間前所未有的高性能信息交換。實時調整電壓、電流和功率成為現實。此外，可以實現電源管理和監控的軟件控制，因此在現有的滿載模式和系統待機模式之間可以有多種省電模式。

　　I2C接口有三種不同的速率選項：標準100kbps、快速400kbps和高3.4Mbps。借助分立的低功耗DC/DC轉換器或PMU，設計人員現在可以動態、精確地調整分立電源管理器件的輸出電壓，然后調整任何處理器單元的內核電源電壓。這種設計需要使用快速DC/DC轉換器。例如，開關頻率在3MHz以上的轉換器可以保證快速信號的瞬態響應。此外，低功率DC/DC轉換器或PMU應具有不同的工作模式，如PFM或強制PFM，以便通過自調整或I2C控制信號進入一定的工作配置。

　　這種設計可以在不犧牲整體性能的情況下，準確滿足系統性能要求。因此，每個工作狀態或處理器模式的功耗都被最小化，從而延長了電池的使用壽命，降低了設備的發熱量，增強了整體系統性能。

　　帶有I2C接口的DC/DC轉換器和電源管理集成電路

　　例如，單通道低功耗DC/DC轉換器TPS62350可以支持所有三種I2C速度模式。采用微型12球柵芯片級封裝(CSP)的降壓轉換器，在單節鋰離子電池的輸入電壓范圍內，可提供高達800mA的輸出電流，效率高達90%。I2C接口可用于調整輸出電壓，以支持最新一代處理器和具有12.5mV“微小步長”和0.6V最小輸出電壓的電源軌?？删幊藾C/DC轉換器有助于延長3G智能手機、掌上電腦、數碼相機和其他便攜式應用的電池壽命。

　　使用I2C接口降低功耗的另一種方法是使用像TPS65020這樣的設備。這款高度集成的PMIC有6個輸出通道、3個低功耗DC/DC轉換器和3個LDO，效率高達97%。I2C可以動態調整和測量主DC/DC轉換器的輸出電壓，該轉換器通常為處理器內核供電。另外兩個DC/DC轉換器可用于為輸入/輸出電源、內存或其他電源軌供電。此外，I2C可以打開/關閉不同的構建模塊(如集成電路上的所有三個低壓降穩壓器或DC/DC轉換器)，以降低整個PMU的功耗和發熱。關閉不同的構建模塊也可以動態降低靜態電流的消耗。

　　另一種方法是使用DC/DC轉換器的預設輸出電壓。TPS62400是一款雙通道降壓轉換器，沒有I2C接口，只有一個名為“Easyscale”的單線接口。使用Easyscale，我們可以在操作過程中訪問和更改存儲在器件EEPROM中的預定義輸出電壓。根據所選的輸出電壓范圍(0.7V~6.0V)，電壓階躍可以小到25mV、50mV或100mV。

　　總之，動態電壓測量可以降低整體功耗，優化系統性能，延長電池壽命。電壓、頻率和功率預算可以根據設備活動、工作模式和溫度變化進行動態控制，使供電系統更加靈活。

　　便攜式系統中的降壓-升壓DC/DC轉換器(Vbat等于Vrail)

　　另一方面，攝像頭模塊、音頻放大器、存儲卡等子系統需要數倍于3.1V、3.3V或3.6V的電源電壓。當電池電壓超過目標電壓軌時，根據定義，功率電平需要降低電池電壓；否則，增加電池電壓。解決這一問題的方法有很多，如SEPC變換器、反激變換器或級聯升降壓變換器。每種解決方案都有各自的優缺點，但沒有一種能同時實現最小體積和最高效率。

　　最新的解決方案是最近推出的高度集成的降壓/升壓DC/DC轉換器TPS63000。該轉換器具有四個集成的主功率場效應晶體管，并結合了獨特的控制設計。因為解決了現有方案效率降低的問題，當電池電壓與輸出電壓相同或相近(Vbat=Vrail)時，優化效率最高可達96%。這是什么意思？首先，與現有解決方案相比，其效率提高了2% ~ 6%。其次，更重要的是，這種效率優勢可以體現在整個電池電壓范圍內。這樣就實現了電池容量的最大化利用，從而顯著延長了電池的使用壽命，最后系統/應用的工作時間和待機時間都非常長。

　　要討論的第二個重要問題是最小化體積。這款集成轉換器采用3x3mm2 QFN封裝，尺寸與2.2uH電感相同。為了減少無源元件的數量，可以預設輸出電壓(如3.3V)，將元件總數減少到四個：集成電路電感和兩個電容。

　　本文摘要

　　便攜式電源管理正朝著更高效率、更小尺寸和更靈活的方向發展。隨著接口功能的創新，新的控制方案、電源軌的快速控制以及數字處理器與其模擬電源管理組件之間的通信將得到全面改善。

　　功率預算的實時調整、處理器節電方案的調整以及負載情況下電壓軌的優化，將使電池更加智能。這對于延長應用和電池的使用壽命等非常有幫助。在用戶使用系統全部功能的前提下，顯著延長待機時間、通話時間或播放時間。