高速的切換頻率

在DC-DC converter中，切換頻率fs與電感L、電容C、輸出漣波ΔV0在連續導通模式（Continuous Conduction Mode）下有以下關係：

《公式一》

其中D為額定導通週期、TS＝1/fs、R為負載電阻。設計上輸出漣波會有個固定值，通常是負載IC的VDD的5％或是20mV之類的。從公式上可以看出當頻率增加時可以減小輸出漣波，尤其是最常用的buck電路更有平方比的下降。增加切換頻率還有另一個好處，在相同的輸出漣波下可以讓被動元件L與C的值減小，這也意味者在PCB上可以用更小的L、C。雖然高速的切換頻率一樣也可以用在標準型筆電上，但因為功率大就必需使用大容量的Power MOSFET來當開關，大容量的Power MOSFET切換損失遠大於小容量的Power MOSFET，所以這在小筆電上有著特別的優勢，因為小筆電本身耗電量相對標準型的筆電低很多，這也讓切換損失相對低很多。這個想法是相當有用的，甚至當切換頻率可以操做在2Mhz以上時，MLCC的電容都有可能使用，這時不但可以大大減小PCB的面積、減少發熱、可靠度亦有所提升。

低電池電壓與低adaptor電壓

從公式四可以看出，低切換損失與輸入電壓的平方成正比，於是從19降至7V有36.84％的電壓降，損失可以降至原本的13.57％，尤其在高速切換頻率下這樣的策略可以讓切換損失降低。如圖一所示，一般都可以增加3～5％的效率，換言之一個原本6小時的使用時間可以增加10分鐘到18分鐘。

《公式四》

這個想法在降壓轉換器（buck converter）輸入電壓在7～3V時，降低輸入電壓就只有在輕載與尖峰負載（peak efficiency）有效果，這是因為當降壓轉換器的duty cycle大約在30％以上變化時，導通損失已經佔損耗的大部份，切換損失就顯的不重要。由此可見透過降低電池電壓與低adaptor電壓在降低切換損失有幫助，尤其在小筆電這種低功耗的應用時因為導通損失相對於切換損失比例較低，並且更可以發揮。目前也有些產品已經把adaptor電壓降到12V與使用2串2並的電池組態，這比標準型筆電的4串或3串組態以降低了許多電壓。

《圖一　Intersil ISL62881/ISL62881B efficiency.》

LED背光源的使用

相較於以往的CCFL，LED背光源的使用上方便許多，不但可以提高用電效率也可以達到調光控制（dimming control），而高解析度的調光控制更有助於達到高對比。CCFL使用上需要高壓，所以必需使用變壓器轉換能量，這種轉換方式的效率不高以至於整個模組的耗電很大。新一代的LED背光是使用升壓轉換器（boost converter）但沒用變壓器，因為操作電壓只在40V以下，不似CCFL會操作在500～1000V，因此效率大多在85％以上。此外，CCFL含汞有環保的疑慮，且LED的發光效率已經可以達到CCFL甚至超越的程度。螢幕的用電佔小筆電的整體耗電比例不小，能用高效率的背光是可以提升使用時間的，像TPS61881、ISL97635、MAX17061等與國內很多家電源廠商都有推出產品可供選擇。

數位電源技術

數位電源技術有個很大的好處是可以整合離散的元件，使得BOM表數目減少，並且有可程式化的特性，不但可以方便設計甚至還可以達到遠端遙控。尤其當系統提供複雜的控制狀態來達到嚴格的省電要求（比如說Dynamic Voltage frequency and scaling、ACPI），又要透過SMBus/PMBus或VRM協定時，數位電源技術就是最佳解決方法。現行的數位電源有兩種方向，一是控制迴路本是數位控制，另一種是控制迴路是類比控制但有數位介面可與系統直接溝通。有數位介面的電源IC跟原本的類比電源IC僅差在數位介面所以是沒辦法整合太多離散元件，但有著類比電路所有的優點，這兩種方式各有優點，但趨勢應該是朝全數位前進。DVFS技術是目前可讓數位電路降低損耗又不減少效能的一個重要方法。

《公式五》

由公式五可知數位電路的功率損耗與速度fS成正比，也與VDD的平方成正比。所以透過系統的控制，在電源IC有可變的輸出下可以讓整個損耗降低。可程式的特性也讓數位電源有很高的彈性，比如說可以調整5V到0.8V固定輸出電壓輸出，還可以調整從100kHz～1MHz不同的切換頻率，也可隨輸出選擇不同的Power MOS，而這些所付出的代價僅為用電腦改變IC中的可程式化記憶體，甚至動態的調整都沒問題，IC廠則只要事先把各種狀況寫好就可讓設計者自由選擇。數位電源在降低靜態損失上也是相當出色的，可以規劃出各種不同的PFM mode、standby mode或是sleep mode。雖然說小筆電在一般的使用上都會在不用的時候進行充電，或是直接使用adaptor工作，但是一個可以待機5天的小筆電仍然是很讓人期待的。

多輸出電源的整合

一般行動型的消費產品內部的電源大致上可分為5V、3.3V、sub 3V這些範圍，如手機、相機、數位相框這些產品已經可以用高整合性的電源IC來當電源，但是在筆記型電腦中還是需要一些努力。在小筆電中，一般來說會有CPU/North Bridge、South Bridge、USB、HDD、DDR、Audio、Ethernet、wireless這些負載是需要電源IC提供不同的電壓。即使有各種不同的功能，不過還是脫離不了5V、3.3V、sub 3V這些範圍，由於功能少、面積小、耗電也少小筆電很適合把電源整合在一起。由於耗電少，這表示IR的壓降也少，由於面積小，負載離電源IC不會太遠，就算負載真的離電源IC遠一點也可以透過Voltage sense補回來。功能少也就是對應著負載樣式不會太多，少數IC就可以整合所有的電源。現行已有把5V/3V整合在一起的產品，以後將可以看到更高整合度的產品出現。

無線電源傳輸

最早無線電源傳輸是發展長距離大功率的發電廠等級的科技，使用微波從太空太陽能發電廠傳回地球，不但乾淨而且效率高，但在消費電子上最常見於電動牙刷與手機。這兩種能量的傳輸有很大的不同，小功率的傳輸能量大概是300瓦以下，其利用電磁感應與共振原理，這有點像電動機或是變壓器原理的變形，效率取決於氣隙大小，越大就越差。這個技術有個好玩的地方，因為沒有導線傳輸所以可以自由移動小筆電且即便有阻擋物也可以傳送能量，它有助於讓小筆電不用充電器甩掉adaptor達到真正的mobile，另一個的優點是僅需在小筆電端加裝線圈與控制IC，這完全都是在低電壓下操作，一次側還可以設計成不同的形狀、不同的距離。intel 在2008的IDF有展示一個燈泡使用無線電源傳輸，現在有些廠商已有提供商業化的產品，像eCouple technology在2009的CES中有許多展出。

結語

小筆電是一個很受歡迎的產品，在電源管理上是有別於筆記型電腦，因為其功能少、面積小、耗電也少。也因為這些優點可以發揮更多節電的想法與實現的可能。此外無線電源傳輸的優點可以讓小筆電的移動性更高，也可以讓使用者可以不用再多攜帶adaptor達到真正的mobile。

---本文由工研院系統晶片科技中心提供；作者黃榆棊服務於工研院系統晶片科技中心／射頻與類比組／混合式積體電路設計部---