引言
行動電話已從一個可攜帶的單純通訊設備，演化為當今最炙手可熱的隨身技術。現今人們所追求的行動電話，必須具備上網功能使其可以隨時收看其鍾愛球隊的精彩比賽片段。隨著可攜式設備的功能多樣化，它們的電源管理解決方案亦必須加以改良才能配合，其中比較重要的例子包括有MP3播放機、藍牙模組、數位相機和行動電話等。隨著行動技術不斷的改進，這些優秀的技術將這些消費者期待的功能一一實現。
例如是手持數位視頻廣播（DVB-H）的處理器應用即為這些手機新技術當中的一項重要範例。圖一所示為一個普通的DVB-H模組，當中包含有不少典型的電源要求，如表一所示。對於處理器應用來說，電池電力的消耗是最受關注的問題，需要配合高效率的穩壓器來設計。圖中供電給DVB-H模組的電源包含有兩個穩壓器，分別為一個開關穩壓器和一個線性穩壓器。只要配合得宜，這兩種穩壓器便可為DVB-H系統提供一個更加優秀的電源解決方案，進而延長行動電話中的電池續航力。
一般來說，今日的行動電話的體積已比之前的幾代縮小許多，但像是DVB-H等新功能則不斷對電源管理形成挑戰。這些新式電話都需要一個既小巧又高效率的電源管理方案才能延長電池的續航力。本文提供了一個小巧及高效能的電源管理解決方案，配有優良的雜訊濾波功能，能夠為DVB-H模組之類的處理器應用提供電源。
| 《圖一 一個常見的DVB-H模組：處理器核心、記憶體、RX調諧器、低雜訊放大器、鎖相迴路、天線、易受雜訊影響》 |
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| 《表一 DVB-H的電源需求：功能區塊、供電電壓、電流、記憶體、RX調諧器、處理器核心》 |
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後端穩壓（Post Regulation）技術帶來尺寸更精巧的解決方案
同上所述，解決方案的尺寸對於行動電話而言相當重要，尤其在實作DVB-H模組時更是如此。圖二的開關穩壓器能夠有效率地供電給DVB-H模組中的兩個重要區域，但是需要搭配四個電容器和兩個電感器。因此，圖三提供了一個更簡單也更好的方法為I/O和處理器核心供電，此方法採用的是後端穩壓方式。圖中，一個簡單的高效能開關穩壓器會與一個低輸入低輸出的低壓降線性穩壓器（LILO） 一起工作，以大幅減少元件的用量。這個低輸入的低壓降線性穩壓器（LDO）不單可減少元件的數量，而且亦可維持系統的高效率工作。
低輸入低輸出LILO
LILO 低壓降線性穩壓器的特點是可用低的輸入電壓來工作（可低於2V），但仍可提供穩定的輸出電壓。此外，出現在LILO上的壓降亦明顯較低，這使得它的效率較標準LDO更高。
當典型的LDO由標準的鋰離子電池（VIN = 3.2V 到 4.5V）供電時，它的效率便變得非常低。圖四表示出一個具有1.5V輸出電壓的典型LILO，其效率會隨著VIN的數值而變化。在較低輸入電壓時，其效率會較高，而當VIN的值提高時，效率便開始下降。LDO的效率在較低VIN時會較高，原因是出現在LDO的壓降較低，因此一個輸入電壓範圍由2.7V到5.5V的LDO便不用在後端穩壓中。換句話說，應該採用具備LILO特性的LDO，基於其輸入電源的要求，可發揮出更高的效率。
| 《圖四 不同VIN值下的LILO效率：效率、後端穩壓、鋰離子電池、電壓軌、效率與VIN的關係》 |
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廠商DVB-H電源管理方案
目前廠商可提供的DVB-H供電方案僅占65平方毫米，如圖五所示。外部元件加上採用MicroSMD封裝的裝置縮減尺寸。方案的電路板上包含了3MHz降壓穩壓器、一個超低雜訊的線性穩壓器，以及兩個LILO低壓降線性穩壓器。當中的LILO最適合用來供電給對雜訊極之敏感的RF調諧器。
降壓穩壓器的輸出為1.8V，它負責驅動處理器核心的兩個LDO（1.5VOUT和1.2VOUT）。由於兩個LDO的VIN和VOUT之差別很小，這種後端穩壓安排可使整體效率提升75％。此外，這些LDO不單有助減少元件的數量，它們的輸出電容器更可濾除來自降壓開關穩壓器的所有子諧波，而這種濾波的效率甚至可高達10MHz ，達到LDO輸出電容器的共振頻率。
| 《圖五 DVB-H 模組的65mm2 供電解決方案》 |
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雜訊管理
典型的開關穩壓器有兩種工作模式，分別為脈衝寬度調變（PWM）和脈衝頻率調變（PFM）。每一種模式均擁有一個對應於其開關頻率的個別雜訊頻譜，該雜訊頻譜包含有在PWM模式下、於固家頻率或在PFM模式下於不同頻率上出現的諧波和子諧波，其程度將視輸出的電流而定。如圖六所示，幾乎所有電能都集中在第一個基本諧波（2MHz）之內，並且一路延展到額外的子諧波範圍（即4MHz、6MHz和8MHz之類）。來自這些諧波的雜訊會被LILO的輸入電容和輸出電容所吸收，可是這些電容器在10MHz以上的較高頻率時會出現限制。然而，諧波在圖七中再次出現，原因是輸出電容器在其共振頻率以上時開始失效。在這問題上，可以在LILO的輸出加入一個簡單的低通濾波器來消除這些諧波。
| 《公式一 供低通濾波器用的建議數值》 - BigPic:823x237 |
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10MHz （在這頻率下輸出電容器便失效）= 62.8 Mrads /s
低通濾波器（LC）的轉移函數 = ……….，當中w = ……
| 《圖八 配備通濾波器後的LILO輸出頻譜：低通濾波器消除諧波示意圖》 |
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後端穩壓方案中的LILO VIN要求
除了效率和雜訊管理外，開關器的VOUT容限是設計系統時必須考慮的問題。開關穩壓器的VOUT容限範圍必須可滿足LILO的最低輸入電壓。例如，在後端穩壓應用中的LDO之輸入電壓範圍是介乎0.7V至4.5V，至於在某給定輸出電壓下的最低輸入電壓便為VINmin = VOUT_正常 + 0.3V。假如LDO的目標輸出電壓為1.5V，以下的條件便必須被考慮：
- ●以NS的LM5952和LM3677為例，若LM5952TL的輸出電壓為1.5V
- 輸入電源要求VIN min = VOUT_正常 + 0.3V = 1.5V + 0.3V = 1.8V
- 若LM3677TL的輸出電壓為1.8V（假設容限為+/- 2.5％）
- VOUT min = 1.755V（不能支持LILO要求的VINmin – LILO處於壓降模式）
- VOUT max = 1.845V
- 若選定LM3677TL為2.0V
- VOUT min = 1.95V （將可支持LILO要求的VINmin，並有足夠的淨空來應付暫態）
- VOUT max = 2.05V
後端穩壓中LILO的暫態（transient）性能
系統可以經常出現暫態情況。無論它是輸入電源變化的線暫態或是輸出電流變化的負載暫態，都可使開關器或LILO的輸出電壓改變。以下是系統中線和負載暫態的一些例子。每當開關器的輸出電壓因線或負載暫態而出現下衝或過衝時，LILO低壓降線性穩壓器都會同時感受到一些下衝或過衝。不過雖然有這種變化出現，但這些下衝或過衝的力度都不會超出10mV。
| 《表二 表示為出現在開關器或LILO的典型線/負載暫態的系統副作用》 - BigPic:675x302 |
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結論
針對DVB-H模組，正確配置後端穩壓，可減少元件的使用量，以產出一個最小的解決方案，並且可延長電池的續航力，使系統的整體效率能達到80％。因此，當要在設計中建立理想的後端穩壓網路時便需加倍小心，單靠一個簡單的開關器和一個典型的LDO並不能成事，而一個高開關穩壓器連同一個低輸入低輸出LDO才是驅動處理器應用的最佳方法。
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