目前可攜式裝置電源管理解決方案的開發商正面臨各種挑戰，不僅要讓設計更精巧、更便宜與更省電，還要有更大彈性，亦即一個平台只須略為修改即可適應不同市場的各種終端產品。本文以可攜式導航系統為例介紹3種不同的電源管理解決方案概念，同時說明這些概念會隨著主要需求的不同而各有優點與用途，這3種概念是完全整合式設計(Full Integration)、熱最佳化局部整合設計(Thermally Optimized Partial Integration)和布局最佳化離散設計(Layout Optimized Discrete)，至於個別環境的最佳架構則必須視整體的技術、應用和商業需求而定。
可攜式導航系統又稱為個人導航輔助系統(Personal Navigation Assistants, PNA)，是消費電子市場成長最快的領域之一，可滿足使用者基本的方向感與導航要求。利用可攜式導航系統提供定位服務(LBS)仍於初步發展階段，但此領域將自2010年起快速成長，尤其歐洲新部署的伽利略(Galileo)商業系統必然帶動進一步發展，可攜式導航功能還可擴大應用到其他的可攜式使用者裝置，這正是許多可攜式產品皆必須面對電源架構挑戰的原因。
而本文把重點放在售後零件市場的典型商用可攜式導航系統，圖1所示為這類系統的方塊圖。
系統的GPS衛星接收器會將原始資料提供給處理器，處理器則根據通常透過儲存卡提供的數位地圖資訊比對這些資料，再以圖形和數字將結果顯示在6～12公分的大型薄膜電晶體(TFT)螢幕，系統通常還會提供USB介面以便資料交換使用，此介面有時還能做為充電電池的電源，控制介面通常包含觸控螢幕和某些按鍵，電源供應則由一顆鋰離子電池和汽車電路系統的連線提供。充電電池能讓消費者連續使用裝置數小時，如行人可用其尋找特定地點，戶外專用裝置的要求則有所不同，如登山者或摩托車騎士就須倚靠電池在外面使用一整天，系統還會透過整合式喇叭發出語音導航指示，而多數製造商都會使用單一技術平台，然後增加適當功能以滿足不同市場需求。
電源管理須符合不同需求
上述的應用環境基本上決定了電源管理系統設計的主要需求。除電壓與電流外，還須如圖1所示提供不同消費者所需功能，且系統須採取措施監控充電電池、確保充電安全和控制螢幕亮度，另外，由於可用空間有限，解決方案必須很精巧，儀表板位置須能減少熱量產生，因直接曝曬在夏日陽光下會使周圍溫度升高，再者，接收機靈敏度亦為重要因素，將會對使用者造成直接影響，且整個系統只能產生少量電磁輻射，以避免內部干擾造成接收機的訊號雜波比下降，而一套適用不同市場的共通平台架構還需最大彈性，以便支援硬體與軟體修改與其他附加功能。
電源管理架構的主要需求包括設計精巧、零件數目少、電磁干擾小、彈性設計、電源效率高與熱量產生少。基本上有3種不同方法能讓最佳架構設計滿足上述要求，以下將利用市場上買得到的元件說明，並討論其優缺點。
此解決方案是把所有的主動電源管理功能整合至一顆晶片，圖2即以德州儀器(TI) TPS65820為例，此晶片不僅有兩個降壓轉換器提供電源給處理器核心、程式記憶體和快閃記憶體，還包含多組線性穩壓器做為儲存卡的電源供應及衛星接收器和音訊編碼解碼器的低雜訊電源，並整合電池充電電路及螢幕背光照明的升壓轉換器，使一顆晶片就能提供所有的電源管理功能。
該晶片採7毫米×7毫米QFN封裝，由於電源轉換器的開關頻率很高，故能使用很小的電感與電容，此處的設計並將晶片的最大高度列入考慮，因此電路板的所有主動與被動零件高度都小於1毫米。
整個模組的設計布局相當精簡(圖3)，為一項優點，不過其須要接近正方形的電路板空間，如布局太不規則就可能發生問題。完全整合式解決方案的另一缺點為缺乏彈性，很難同時達到不同市場的要求，如充電器對低階產品可能過於龐大或驅動電路無法滿足高階系統的大型螢幕背光照明需求，完全整合式系統還可能造成應用範圍受限，如只能用在低成本且高產量的市場。
此設計較注重彈性，會把平台所有機種的相同電源供應全部結合至一顆晶片，圖4以TPS65050為例，提供電源給處理器核心、外部記憶體電路、衛星接收器的儲存卡和類比電路及音訊編碼解碼器。
螢幕背光照明的白光發光二極體(LED)電源是由離散元件提供，這能讓同一平台的不同機種使用不同的螢幕，如只要以TPS 60230之類採用電荷泵浦技術的解決方案取代離散式LED驅動元件TPS61061，就能使用LED並聯而非串聯的螢幕。
使用獨立充電元件BQ24032A讓熱最佳化局部整合更為明顯，2安時(Ah)以上高容量電池的充電電流最高可達1.5安培。應用裝置在耗盡電力的電池透過此方式充電時仍須繼續工作，因此總電流會等於操作電流加上充電電流，這將使充電元件因外部電源與電池間的電壓下降而出現龐大功耗，熱最佳化局部整合則將這項功能移到採用散熱最佳化封裝的獨立晶片，即使出現很大的耗電也只會造成充電電流下降，而不會像完全整合式解決方案導致過熱關機或因降壓轉換器，尤其是低降壓穩壓器(LDO)的功耗而產生更多熱量。另外，只要使用獨立的充電元件，設計人員即可調整這項功能以適應同一平台的不同機種，如採用大型或小型電池或選擇是否提供USB充電功能。
熱最佳化局部整合設計不會浪費電路板空間，解決方案的大小與完全整合式設計差不多(圖5)，零件的位置則更有彈性，對形狀不規則的電路板有幫助，設計人員還能將溫度很高的元件放在適當位置，並確保這些容易發燙的零件均勻分布在電路板上。
如從完全整合到熱最佳化局部整合算是一種局部分解，即能進一步開發完全由離散零件構成的解決方案。這類解決方案必然會有最多零件，這不僅使零件清單和庫存管理更複雜，通常也會是最昂貴的架構，但儘管如此，這類解決方案仍有許多值得採用的理由。
可攜式導航系統將以前面提到的BQ24032做為電池充電穩壓器，以TPS61061做為螢幕背光照明電源，處理器相關電源則由兩個降壓轉換器產生，即 TPS62300。離散解決方案必須採用晶圓晶片級封裝(WCSP)之類的微型封裝技術，才能將設計縮小至完全整合或熱最佳化局部整合解決方案的水準，由於封裝的體積和寄生阻抗都很小，這類設計可將開關頻率提高至3MHz，以便使用小型晶片線圈和輸出電容。這類解決方案還能採用晶片級封裝的線性穩壓器，如此處所用的TPS799xx元件。
只要採用最合適的微型封裝元件，這類設計就能將電路板面積縮小到高度或完全整合式解決方案的水準(圖7)。有兩種理由可能促使設計人員選擇離散解決方案，首先，許多電路板的形狀很不規則，尤其使用電池的可攜式產品最常遇到這種情形，其有很多凹口來安裝電池、控制元件、天線或螢幕，日益流行的平面模組則讓電路板參差不齊，有時甚至無法使用高度整合的解決方案，隨電壓轉換器的開關頻率達2MHz以上，被動零件的位置必須盡量靠近元件接腳以避免電路不穩定並降低電磁干擾，而完全整合式解決方案對零件位置的限制很嚴苛，任何改變都會影響系統功能，因此這類電源管理方塊大都採用正方形或略似長方形的結構。
若採用離散解決方案，就算是很不規則的電路板也能實現功能完整的設計，使用離散設計的第二個理由是可將電磁干擾減至最小，導航系統的接收機靈敏度是重要的使用者考量因素，必須在天線端提供良好的訊號雜波比才能確保接收靈敏度，離散設計可將潛在的雜訊與干擾源安排在距離天線較遠的位置，同時將線性穩壓器或電池充電器等較不重要的功能放到靠近天線的位置，此外，也更容易在設計發生問題時更換重要零件，而不須從頭修改整個設計，如背光照明即為重要功能，這是因為多數用來驅動白光LED的升壓轉換器都會洩漏電流，所以在某些情形下會產生電磁干擾，在完全整合式元件裡，背光驅動器的電磁輻射是一項非常重要的特性，若發生問題就可能需要使用另一顆獨立的驅動元件，將對產品成本造成不利影響。
熱最佳化設計可將電源系統最佳化
截至目前，本文皆將重點放在最常見的可攜式導航裝置，即個人導航輔助系統。現在將考慮每一種做法的未來發展性，舉例來說，導航系統與可攜式多媒體應用的整合不僅在意料中，而且很必要，MP3播放器的整合不需額外的電源管理元件，因此不用大幅修改平台即可將此功能加入導航系統，視訊播放機的整合則完全不同，大多為硬碟的儲存媒介通常需升降壓轉換器來產生操作電壓，大型螢幕需更多LED做為背光照明，故需更強大的電源轉換器，如高畫質視訊應用也在規畫中，整個處理器電路有時即須徹底修改，因其需運算能力強大的其他處理器方塊，但這也會使總電流消耗大增。
欲於不使用汽車電源的情形下延長產品操作時間，電池的容量就必須增加，此時，整個系統比較像一台包含導航等擴充功能的可攜式視訊播放機，此概念還能用於可攜式遊戲應用。熱最佳化局部整合是此類匯聚系統(Convergent System)較佳解決方案，因該解決方案能將處理器相關功能的電源管理標準化，同時維持完整的周邊設計彈性。匯聚系統的完全整合晶片常遇到內建電源轉換器不符實際需求的情形，熱最佳化局部整合解決方案則能避免這類問題，進而將系統成本最佳化。
採用何種電源方案端賴需求而定
本文介紹的3種方法都能在不影響電路板面積的情形下完成設計工作。完全整合式解決方案適合不需彈性的高產量應用；離散解決方案則有助於實現困難電路板布局並達到嚴苛的電磁相容性要求；熱最佳化局部整合解決方案通常是前兩種做法的折衷，適合必須支援不同市場的模組化設計。
特定環境下的最佳做法須視系統設計的主要需求而定，整體需求是由個別市場需要、技術可能性和商業環境等眾多因素組合而成，因此各部門必須在概念階段密切合作才能得到最好的結果。
