電源設計過程的五個重點

電源通常不是消費者選擇可攜式設備時考量的主要功能，但電源的性能卻足以影響整個裝置的表現。目前我們對於新型可攜式消費電子設備的功能要求越來越多，同時也要求越來越長的可工作時間，這一個看似兩難的矛盾，讓電源管理成為目前可攜式設備設計工程師最嚴格的挑戰。

　 

電源設計過程的五個重點

為了滿足可攜式設備的便利性與實用性，電源設計的發展也被引導至省電、高效率的方向，高永極提出設計電源的過程中需考量的五個重點。

「首先，依需求選擇電源方案，不同方案有不同效率；第二，選擇電池類型，此會影響功耗待機安全性；第三，採用讓系統更省電的電源管理技巧；第四，考量產品元件的封裝；第五，過電流與過電壓的保護功能等安全性考量。」高永極指出。

在可攜式設備的電源設計中，追求功能多、時間長、散熱佳、低功耗、安全性並維持輕薄尺寸的需求的趨勢，都對電源設計帶來了低功耗、高效能，以及因應小體積的薄型化封裝等設計挑戰。其中低功耗是可攜式設備設計上面對的第一個挑戰。由於功耗會為系統增加的成本，當系統功率愈大，便會消耗更多的電源，所需的電壓也愈高。在面對低功耗設計時，必須先了解這對於元件的選擇、PCB的佈局等作業都會產生重大的影響，因為大功率及高電壓還可能帶來過熱問題，這又會影響著可攜式設備的尺寸，進而影響產品的包裝與外觀甚至可攜性。

　  如何因應低功耗高效率的挑戰

高永極進一步說明，解決功耗問題除了降低工作電壓外，還可從系統、I/O、電路技術著手。為了實現「可攜帶性」，電源設計的主要訴求便是高效率、低靜態電流、小型封裝以及靈活的電源管理機制。

例如以智慧型電源管理方案偵測系統真正需要電源的時間，其餘時間則將電源關閉；其次為針對I/O重新設定，使其僅在工作狀態中消耗功率。效率的部分則可分為電路轉換架構的損失與電源管理IC本身消耗的能量兩個部分；在非電氣系統的部分，電源架構的空間限制、IC的包裝與體積，在在是設計前的考慮重點。

此外，在可攜式設備中，電池是主要的電力來源，因此能量的分配必須考慮到電池的使用時間，而電池的種類與串並聯搭配會影響到輸入電壓的範圍，也會直接影響到電源的輸入規格設計。低功耗的需求主要是為了要延長電池的使用壽命。目前市場上大量對低功耗系統的要求，不斷考驗著設計人員，無論是筆記型電腦、PDA或手機等電子裝置，隨著運作情況調節電源供應，在行動通訊產品中進行低功耗設計，將牽涉到系統本身的無線射頻接收/發射設計、混合信號處理等系統，這些轉變在設計上可以增加元件密度，帶來更高的運作效能與更低的耗電量等優勢，但低電壓的設計也會為系統帶來雜訊問題，而小型化的封裝體積，則面對著必須支援高負載驅動能力的挑戰。

高永極：效率更高、功耗更低，更小尺寸、更多功能，突破散熱瓶頸，是電源管理永恆的追求。

　 

小型化封裝蔚為趨勢

IC的封裝在特定的可攜式設備裡也是一項重要的規格，散熱、耐壓、耐熱、耐電流等問題，皆為封裝技術展過程的要點。IC的封裝通常是愈小愈好，對有限的PCB面積又相當大的幫助，但體積小對成本或設計上都是一大考驗，功能增加則相對應地會帶來散熱等其他問題。

高永極表示在選擇使用何種封裝的電源IC時，需考量四個條件：「尺寸、熱電源、功耗以及成本。」

由於小封裝的需求日趨增加，在封裝技術上亦有相當大的的突破及相當大的空間可以發揮。目前小型而散熱效率高的LLP封裝及分層式CSP封裝為主流，而最新的封裝技術Microfil，其體積將比傳統封裝小4至7倍，應用於高腳數晶片。高永極表示，製程和Know How是電源IC設計的秘訣，而技術背後則需要堅強的支援及開發團隊，才能確保上市時間及整體品質，所以設計人員在選擇時應做多方面的考量。

　 

未來可攜式設備電源技術的發展

科技的腳步不間斷，正如半導體持續追求製程的演進，在談及可攜式設備電源管理技術未來的發展這個問題時，高永極指出，「效率更高、功耗更低，更小尺寸、更多功能，突破散熱瓶頸，是電源管理永恆的追求。」

若電源品質不佳，電源便容易產生干擾，因此無線傳輸的品質也會降低。目前NS在手機電源方面，正與國外大廠合作手機模組化的解決方案，而制定規格化具整合性的電源模組可提供具體與快速效益。

電源的設計是一門多方面考量後的平衡藝術，電源控制IC的功能與設計更是影響整體電源性能的重要因。雖然電源系統必須配合系統的需求進行整體的考量，電源IC的發展也與這樣的趨勢息息相關，但在近來科技的發展中，電源管理技術的問題已經漸漸開始受到重視。高永極表示，台灣的技術層次水準佳，系統級的KNOW HOW領先，在整合開發上也具有基本能力，但大多數規格仍受製於國外廠商，若要進階發展，必須回歸基礎面，充實學理基本功，研發出世界級規格，從代工升級，走出自我品牌、頂尖技術，才有成功的契機。