前言

行動電話已經成為生活中不可或缺的必需品，全球每年需求量甚至超過1.7億支，不過行動電話設計者已經開始認真檢討行動電話的電源管理問題，尤其是採用GSM（Global System Mobile）通訊系統的2代與2.5代行動電話，要求體積更小、電池使用時間更久的操作特性。

為滿足市場需求如何將各種新的多媒體功能塞入有限的空間，並延長電池的使用時間成為非常棘手課題，主要原因是新世代應用微處理器內建各種媒體處理功能，造成行動電話的消費電力大幅增加，而且新世代應用微處理器的影音再生時間非常長，必需使用高效率的影音增幅器才能夠將原有的特性充分發揮。

隨著行動電話的影音技術成熟，影音的品質與輸出成為業者相互競爭重點之一，除此之外如何在有限電力範圍內實現以上訴求，更是設計人員在系統設計階段經常面臨的課題。

不過到目前為止幾乎所有的解決方案都始終集中終端的數位SoC，事實上類比技術也可以解決問題，有鑑於此本文要以宏觀角度，深入探討行動電話的電源管理技術。

發展經緯

為達成行動電話小型化目的，設計人員大多使用PMU（Power Management Unit）使電源設計簡潔化，如圖一所示，主要原因是即使要求複數電源系統的場合，PMU也能夠輕易達成上述要求。

《圖一　電力效率超過、低散熱量的DC-DC降壓轉換器內部方塊圖》

隨著多媒體功能的進化，行動電話被要求電力使用效率更高效率化，雖然電力高效率化採用獨立的電壓穩壓器（Regulator）設計非常有效，然而PMU卻無法支援專門為多媒體功能開發的應用微處理器的電力要件，加上行動電話的開發周期受到大幅壓縮，其結果造成設計人員無法期待PMU的輸出能夠完全符合設計上的需求，轉而利用獨立電壓穩壓器取得終端機器要求的電力，因此壓穩器的選擇成重要的課題。

整體成本除外，小型、低噪訊、低消費電力是選擇電壓壓穩器主要重點，因此設計人員大多偏好使用具備設計容易、低噪訊、反應快速特性的低衰減輸出（Low Drop Out；LDO）壓穩器。

LDO壓穩器的反面缺點是線性控制上無法避免會產生電力損失與發熱問題，因此LDO壓穩器通常被應用在輸出、入電壓非常接近，或是低電力等領域。

終端機器經常使用的鋰離子電池，輸出電壓大約是3～4.2V左右，此時LDO壓穩器非常適合提供類此I/O電路要求的3.3V或是3V電壓。雖然LDO穩壓器稱不上很有效率，不過卻能夠提供穩定的電力給RF段電路（此電路對噪訊非常敏銳）。

隨著半導體製程技術的微細化，微處理器的核心（core）電壓也隨著大幅降低，例如1.8V、1.5V甚至1.2V的SoC已經非常普遍，然而如此低電壓反而造成穩壓器的輸出、入電壓差過大、效率降低等副效應。

如果利用LDO穩壓器提供如此低的電壓給核心，電力損失會導致電池壽命大幅縮減，此外在終端內部散熱量暴增，其結果容易引發製品壽命減短。

適合新型微處理器使用的電壓穩壓器，並不是結構簡單、低噪訊的LDO穩壓器，而是電力效率超過90％、低散熱量的DC-DC降壓轉換器（Converter），換句話說即使是同步PWM方式降壓轉換器，或是未使用微製程製作的IC晶片，同樣可以同時提供必要的低電壓電力與I/O電路要求的高電壓。

例如內崁同步整流電路的降壓轉換器，未使用外部蕭特基二極體（Schottky diodes），也能夠以最大輸出電流600mA，0.9～3V全動作，實現90～96％的電力效率，同步PWM方式唯一缺點，是低負載時效率有惡化傾向。

行動電話的應用微處理器（Operation Processor）大部份時間處於待機模式，此時如果降低動作電力，微處理器會從DC-DC方式進入低負載模式，此時電力效率會急遽降低，嚴重時電力效率甚至不到90％，為減輕長時間待機模式的消費電力，設計者可能會考慮使用脈衝頻率調變（Pulse Frequency Modulation；PFM）方式的轉換器，由於這種轉換器的切換頻率與負載大小呈比例，因此整體的效率非常高。

此外為縮減電源大小，電源廠商曾經嘗試將降壓轉換器的切換頻率設定成1～2MHz，此處為驗證切換頻率的實際效果，利用下列三種轉換器進行測試，分別是：

根據測試結果證實頻率越高，要求的電感器與電容器的值反而越低，這意味著轉換器高頻化可以使電子元件小型化，尤其是基板面積受到相當限制的多媒體行動電話，基於抑制被動元件尺寸、成本等考量，更應該使用高切換頻率的轉換器。

同步降壓轉換器大多使用3×3mm SOT23-5業界標準封裝方式，不過類似晶片等級封裝（Chip Scale Package；CSP），或是薄型雙排扁平無導架（Dual Flat

No-lead；DFN）封裝，同樣可以滿足行動電話等嚴苛的尺寸要求。

一般認為DC-DC降壓轉換器適合提供電力給行動電話的應用微處理器；低噪訊LDO壓穩器則適合應用在輸入電壓2.8～3.3V，對無線射頻（Radio Frequency；RF）非常敏銳的類比電路，而且LDO壓穩器還能夠提高電路密度降低基板面積，因此類似圖二整合低噪訊LDO壓穩器與DC-DC降壓轉換器的功率IC越來越受到重視。

《圖二　整合低噪訊LDO壓穩器，與DC-DC降壓轉換器的功率IC》

聲音再生與EMI的設計

內建攜帶型多媒體功能的行動電話，它的音響增幅器（Audio Amplifier）會出現兩個問題，第一個問題必需提供最少二小時以上連續聲音再生，尤其是最近幾年音響再生時間的長短，已經成為消費者選擇行動電話的主要選項之一。

第二個問題是行動電話的音響品質必需接近家用音響系統，主要原因是消費者強烈要求具備匯流推升（Bus boost）功能、低噪訊、高輸出的立體音響。

目前行動電話大多使用AB級的音響增幅器，它可以實現全高頻歪斜+噪訊低於0.1％的高品質音響。AB級增幅器的電源濾雜訊比（Power Supply Rejection Ratio；PSRR）非常高，加上AB級增幅器具有線性特性，因此幾乎不會干涉基板上的RF系統。

AB級增幅器的主要缺點是電力效率非常低，不過卻廣泛應用在車用免持聽筒擴音器（Hands Free Speaker），或是短時間、低功力音響等領域。

在攜帶型媒體論壇MP3已經成為標準功能，再生時間從以往數分鐘大幅延長至數小時，其結果造成低電力效率、高發熱的AB級音響增幅器無法滿足實際需求，新型行動電話逐漸改採D級音響增幅器設計。

一般標準行動電話的音響增幅器額定消費電力大多低於100mW，最大輸出電力為700mW，AB級若與D級音響增幅器比較，50mW時D級音響增幅器的電力效率為80％，AB級卻只有20％；動作電力為100～5000mW時，D級的電力效率可以維持穩定的85～90％特性，AB卻只有30～60％，如圖三所示。

《圖三　Audio增幅器的效率特性比較》

此外低電力效率、高發熱的AB級音響增幅器，無法提供1W以上無飽和、無歪斜輸出電力；相較之下D級音響增幅器透過它的切換模式，可以使音響信號高效率增幅提供大輸出電力，使大音量的音響再生，例如對8Ω擴音器，它可用低於1％以下全高頻歪斜+噪訊，輸出最大1.4W的功率。

為產生低頻沙龍必需使用相當程度的電力，尤其是小面積擴音器的場合，增幅器的電力對重低音的再生具有決定性的影響，它同時也是音樂、遊樂器音響重低音能否再生的關鍵。

MP3播放器大多使用4Ω外置型立體擴音器，此時利用5～5.5V高電壓使擴音器動作，不過這種方式必需提供穩定的5V電力給兩個D級音響增幅器，因此使用DC-DC升壓轉換器，如圖四所示。

《圖四　DC-DC升壓轉換器電路圖》

如上所述D級增幅器利用頻率一定的PWM切換模式動作，它對鄰近RF電路可能會產生干擾EMI，防止對RF系統的EMI干擾方法有兩種，第一種方法是將D級增幅器設置在擴音器附近。立體聲應用（stereo application）的場合必需使用兩個後級增幅器（Monoral Amplifier），如此一來在終端兩側的兩個擴音器附近就能夠設置增幅器，不過此時增幅器的輸出必需連接鐵粉心粒（Ferrite beads）等電磁波干擾濾波器（Electromagnetic Interference Filter；EMI），電磁波干擾濾波器可以將音響輸出的高頻切換信號傳播到RF電路之前完全消除，發揮頻通過濾等功能。

結語

以上介紹行動電話的電源管理技術。隨著動電話市場極度成熟化，不論是歐美先進國家或是新興國家，繼行動電話之後攜帶式多媒體機器的普及化運動正如火如荼展開，相關零組件供應廠商莫不覬覦這個全新的市場大餅，並以電源供應廠商也望塵莫及的速度，進行微處理器的功能提升，同時還提供晶片組（Chip Set）相關服務。

在此同時攜帶式多媒體機器設計者為了滿足系統需求之外，必需要在短期能完成新機器的設計，因此被迫採用標準化的獨立電源以及音響機器套件，所幸的是新型同步降壓轉換器的電力效率都很高，而且組裝作業非常簡易，系統設計者只要巧妙運用，就可以輕易開發低成本、高性能的攜帶式多媒體機器。

如果採用電力效率都極高的D級音響增幅器，還能夠實現長久以來市場要求的長時間音響再生功能。

此外透過D級音響增幅器的普及化，不久的未來MP3、TV、電動遊戲不可或缺的沙龍音響將不再是遙不可及的夢想。