电源管理设计

電源管理設計手持裝置之電源管理設計供電端前言：老實說，手持裝置的電源管理設計正日益嚴苛、困難，理由是其應用功能仍在持續高度擴展，過去手機沒有MP3功能、沒有照相功能，如今不僅幾乎快成必備，還要附有收音機功能、閃光燈功能；以前免持聽筒不過是用耳機線延伸，如今則還要藍芽無線傳輸，其他還要能存取記憶卡、下載與執行小品（Java）遊戲，彩色螢幕與附屬子螢幕等，且功能仍在不斷追加提升，如DVB-H數位手持電視、視訊錄影等。不單是通訊產品如此發展，資訊產品也是一樣，iPod從黑白顯示到彩色顯示，從音樂到圖像（Photo），再從圖像到影像（Video）。此外，筆記型電腦（Laptop、Notebook、Mobile Computer）也在積極縮小化，2005年IDF Fall提出了Handtop的概念型產品，2006年CeBIT展期亦有Microsoft發表自2001年就啟動的Origami專案成果，同時英特爾（Intel）也呼應提出超攜行個人電腦（Ultra Mobile Personal Computer；UMPC），這些都在在顯示x86運算系統已有機會邁入更嬌小化的層次，但宣示的背後也意味著更高難度的電源設計及管理，宣示雖然風光，但展示時就不盡理想，電子字典大小的x86電腦（雛形品）僅使用15分鐘就讓電力告鑿。 電池蓄電量的技術提升成長遠不及手持應用增加的需求用電成長，在相同的電池體積、電池重量下，蓄電量的強化進展緩慢。（插圖設計：郭長祐）更進一步的，手持應用的各項子環節設計也都還在持續演進，如液晶背光源從EL（Electro-Luminescent，冷光片。亦有人翻譯成：電致發光）、CCFL（Cold Cathode Fluorescent Lamp，冷陰極燈管）轉變成WLED（White Light-Emitting Diode；白光型發光二極體），音效功率放大從AB類轉成D類，視訊攝影也從CCD轉成CMOS，其他還有指紋辨識、NFC感應等，有時候經常會讓電子工程設計人員有規劃、計畫趕不上變化之感。雖然手持應用的電源設計日益艱辛，但一就不能不面對，本文以下將試圖就過去已知的電源設計技術進行更細膩的討論與技術更新，同時也對應用供電方面進行部份討論。手持式應用裝置的設計應用有高度的取捨、兼顧挑戰，必須將多項因素一併規劃考量，包括功能、成本、蓄電量、用電量、電能轉換效率、重量、體積、散熱、干擾等。（插圖設計：郭長祐）手持式應用裝置的應用範疇與面向仍在高度擴增中，包括MP3播放、類比FM收聽、數位DVB-H收視、GPS定位、NFC感應付費、Java（爪哇）遊戲、Bluetooth（藍芽）免持聽筒、CMOS攝影錄影等。（插圖設計：郭長祐）線性調（降）壓線性調壓（Linear Regulator）是最常見也最易應用的電壓調整方式，不過此作法只能用於降低供應電壓，所以也經常稱為線性降壓。線性降壓的優點是封裝體積小、需要搭配的外部元件少（只需幾個輸入、輸入電壓位置的濾波電容），這在電路佈局面積極有限的手持式應用設計時特別有利，此外線性降壓還有電源品質佳（有時也稱：電源潔淨度，即電壓的漣波電壓小、漣波因素小。漣波電壓原文為Ripple Voltage，也有人翻譯成：波紋）、沒有電磁干擾（Electro Magnetic Interference；EMI）等好處。不過，線性降壓也有缺點，當輸出入電壓間的壓差過大時，其電源轉換效率也會轉差，且壓差部份的能量都會轉成熱能消散掉（Drop-Out），當轉換效率差時散熱量也會增加，而手持式裝置的內部空間狹窄，熱能不易消散，無法消散就會使機內溫度提升，進而讓電子系統運作不穩。雖然線性降壓的技術已高度成熟，但依然有持續精進的技術發展，今日的線性降壓元件幾乎都標榜低消散（Low Drop-Out；LDO），有的甚至會強調超低消散（Ultra Low Drop-Out），藉此表示有高轉換效率（因為過往以來線性降壓最為人詬病的就是廢熱消散的功率損耗）。此外新的線性降壓元件也強調可自外部操控的管理性，即是在降壓元件上增設一個名為EN（Enable的縮寫）的輸入接腳，由其他控制電路對此接腳輸入Hi、Lo信號，即可控制線性降壓元件是否要啟動轉換效用，或者是要關閉休眠，關於此通常是由系統的微控器並搭配控制韌體來對元件進行開關操控，以更方便地實現智慧型省電機制。當然！線性降壓的優點之一在於嬌小的電路佔用面積，所以也有業者對此進行更深的專精，例如持續將線性降壓元件的封裝改小，使佔用面積再度縮小。另外也有業者將過去元件外所需要的電容改成內建，如此連外部電容都可以縮減、省略，也一樣能讓佔用面積再次精簡。 供應電源的調整、轉換主要有三種技術可以運用，即是：線性調壓、電容型切換式調壓（電荷泵浦）、電感型切換式調壓（切換式）。（插圖設計：郭長祐）電荷泵浦調壓電荷泵浦（Charge Pump）也稱為電容切換式調壓，除了調壓元件本身外，只要在外部搭配幾個電容元件即可，不過其外部電容是用來儲能而非濾波，需要較大的體積，因此電荷泵浦的電路佔用面積多比線性降壓大，此外電荷泵浦是運用切換技術來調整電壓準位，所以會有EMI影響，且電壓位準的擺盪較線性降壓為大。附註：切換式在一些書籍中也翻譯成交換式、開關式，英文原文都是指Switch。此外，電荷泵浦不像線性降壓只能用於降壓（Buck），也能用於升壓（Boost）及電壓反向（Invert，或稱：電壓反相，亦有人翻譯成：電壓反轉），當用於升降壓時，其升降幅度最好為原輸入電壓的簡單倍數，如1.5倍、2.0倍等，如此電源轉換效率才會高，理想情況可達90以上，倘若調整的不是簡單倍數，則轉換效率就會降低，最差可能會低過70，一般而言為了避免轉換程序的無謂耗能，設計上都盡可能使用簡單倍數性的升降壓。值得注意的是，即便是以簡單倍數來升降調整，也不可能是無限度的升降，例如到12.0倍、-9.5倍等，升降倍數取決於外部的儲能電容，由於手持裝置的置納空間有限，也因此限縮電容可用的體積，進而讓倍數受限，就務實面來看很少有超過3.0倍的升降調整。 供應電源的電壓調整、轉換主要也有三種，即是：降壓（Buck）、升壓（Boost）、反相（Invert）。其中線性技術只能提供降壓功效，而無論電容型還是電感型切換都能夠提供降壓、升壓、反相等三種處理、轉換、調節功效。（插圖設計：郭長祐）同時，電容體積與電容蓄電能量的大小不僅影響輸出電壓的倍數，也影響可輸出的最大電流，使得電荷泵浦在手持應用中不易提供超過300mA400mA的電流量（以每組轉換系統而言）。切換式調壓老實說，電荷泵浦調壓與切換式調壓在轉換原理上都屬於切換式調壓，只是電荷泵浦以電容為主，而切換式以電感為主，如此之別而已，但稱呼上卻容易誤以為只有切換式調壓是運用切換原理，且也容易誤會電荷泵浦與切換式調壓毫無關係，以為兩者是截然不同的電壓調整方式。既然原理相同，那麼切換式調壓也與電荷泵浦一樣，也能行使升壓、降壓、反相等供電轉換、調整，且電源轉換效率高於電荷泵浦，同時不像電荷泵浦需要以簡單倍數式調升、調降才能讓電源轉換率提高。但是，切換式調壓也有其缺點，其轉換元件的外部不僅需要用上電容也要用上電感，還要有功率型電晶體（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor；MOSFET。金屬互補半導體場效電晶體，用於電路的開關切換），甚至是基納二極體（Zener Diode；ZD），由於外部元件過多，且多是功率型的大元件，使得切換式調壓在電路佈局設計上最耗佔空間，同時EMI電磁干擾的嚴重性也高於電荷泵浦，這又讓佈局設計的規劃更加困難，必須避免讓切換式調壓的切換雜訊影響到其他電路的運作。當然！既然切換式調壓的電源轉換率最高（可達95以上），無用的廢熱消散較少，加上佔用面積、空間大，所以散熱方面的問題也少於前述的兩種調整、轉換法，但缺點除了EMI雜訊發散強之外，供電電壓的漣波因素也較大，大過前述的兩者，這表示其在電源潔淨度上的表現也最不理想，電源品質較差。不過，切換式調壓也無法隨時保持在高轉換效率的狀態，當用電的負載較小，耗用的電流較小時，切換式調壓的轉換效率也會轉差，為了持續保持高度的轉換效率，通常有兩種方式可以因應，一是使用PWM（Pulse Width Modulation，脈波寬度調變）法，另一則是使用PFM（Pulse Frequency Modulation，脈波頻率調變）法，兩者只要擇一而用便能維持轉換效率。所謂PWM法，就是改變MOSFET開關的導通時間，但切換頻率維持不變，相對的PFM法是維持導通時間不變但改變切換頻率。另外，由於手持裝置的內部空間有限，且切換式開關的外部電容、電感相當耗佔空間（尤其設計上是要求能高量供電時，即要求能提供較高的電流量給負載時），此一情形可以透過切換頻率的提升來改善，切換頻率提高就可使外部電容、電感量的倚賴度降低，進而縮減電路佔用面積。然而提高切換頻率也非萬全之道，對應的後遺症就是造成切換雜訊的增加，所以切換頻率與電磁雜訊必須在設計條件下進行折衷取捨才行，不能一味地提升切換頻率。至於切換式轉換元件的最新技術發展為何？關於此主要在於提升最高的輸出電流量、縮減外部元件數、提高切換頻率等，提升最高可供應的電流量主要是因為切換式調壓的電源轉換效率高（尤其在高電流用量時），適合供電給較耗電的應用元件及電路。而縮減外部元件數，主要是將電容、電晶體、二極體等，運用半導體整合技術內建到切換式轉換元件中，使外部佔用面積獲得縮減，以便更適合運用在手持式裝置的設計上，唯一不能內建的是電感元件，今日的平面固態半導體技術仍無法將電容進行縮體化整合，只有電容、電阻可以。再來是切換頻率的提升，提升用意已如前所述，高頻切換有助於縮小電容、電感值，所以也在於縮小電源轉換系統的體積。 三種電源調節、轉換技術各有其優缺點，線性技術的優點是佔用空間小、供電品質佳，但轉換效率差（視壓降程度），相對的切換式（電感型）技術的優點是轉換效率高（視負載功耗），但供電品質較不理想，佔用空間也大，而電容型切換技術則在各項表現上都居中。此外散熱也與轉換效率相關連，EMI雜訊干擾也與空間性有所關連。（手持裝置之電源管理設計用電端前言：除了用電量愈來愈大外，手持式裝置（Handheld Device）的電源設計之所以日益困難，有一個大因素是在於單機的應用功能愈來愈多廣，同時既有的系統環節也不斷在演進提升，例如顯示從黑白變彩色、通訊從GSM轉向3G、背光從EL/CCFL轉成WLED等。所以，對設計者而言不單要瞭解供電端的特性，還更要瞭解用電端的特性，理由是供電端的技術變化不大，且供電用組件的規格提升較緩，相對的，用電端的變化就相當快速，連類型也經常劇烈變化，因此要完成手持式的電源設計，用電端的特性可謂不能不知。 AMD超微公司針對手持式應用而提出Alchemy系列的處理器，圖為Au1550處理器，該晶片內具有嵌入式安全技術。（圖片來源：AMD.com）控制、運算子系統為了實現更多的酷炫應用（如：Java遊戲、3D遊戲、MPEG-4視訊等），手持式裝置的處理器不斷在增強運算效能，但同時也讓用電量大增，雖然晶片業者今日多在處理器內追增DSP架構型態的功效核心，以加速多媒體方面的應用運算，進而讓用電獲得精省，但精省的幅度依舊有限，處理器的用電量仍然為成長態勢。尤其是在處理器的核心用電方面，隨著半導體縮密製程技術的提升，其工作電壓愈來愈低，但工作時脈愈來愈高、電晶體用量也愈來愈多，其電流量需求也進而大增，必須用更低的輸出電壓（多在1點多伏特的層級）、更高的輸出電流（多在數百毫安培的層級），這就是一項難度挑戰。此外，處理器不會一直處在尖峰運算的狀態，新的處理器都允許動態性地調整工作電壓，當運算負荷（Workload）繁重時需要較高的工作電壓，反之運算輕載時（如：待機狀態、查詢狀態、螢幕保護程式等）則可降低電壓，此機制一般稱為DVS（Dynamic Voltage Scaling，動態電壓延展）。DVS的想法概念已很普及，但各晶片業者各行其是，相互間並無交換標準，倘若設計過程中決議換替手持式處理器，那麼就必須重新瞭解另一個處理器的供電特性，並重新審視、修改原有的供電設計，截至目前為止都是如此，至多是同業者、同系列晶片的設計概念、法則經驗能有較大的沿用性。目前比較有可能成為手持式動態調壓標準的，是安謀國際（ARM）與美國國家半導體（NS）合作研擬的PWI（PowerWise Interface）標準，2003年10月即提出PWI v1.0版，2005年9月再提出PWI v2.0版，PWI雖然採開放規格、不收取任何技術授權費，但就ARM與NS的營運立場而言，仍有助於ARM的SIP（矽智財授權）業務與NS的PMIC（電源管理用晶片）業務。除此之外，也有許多晶片內的動態調壓省電技術，如全美達（Transmeta）的LongRun2，或如益華電腦（Cadence）的DVFS（Dynamic Voltage and Frequency Scaling）等，然這已不屬Board/Card層次的省電設計，而是Chip/Die層次的省電設計，不在此次的討論之列。 一般性的PWI 2.0系統概念圖，NS稱PWI為Adaptive Voltage Scaling Technology（自適性電壓調整技術）。（圖片來源：www.PWI）記憶、儲存子系統記憶體方面主要區分成揮發性（RAM）與非揮發性（ROM），揮發性方面若只有極少量需求可以只使用處理器內建的暫存器群（一般喜歡講Register File或Register Bank），然多數情況下暫存器群的容量並不敷使用，所以還是有很高的機會要用上外接的RAM記憶體，小用量需求時可用SRAM，大用量時則要用DRAM（如：SDR SDRAM）。不過，近年來也有了新變化，由於SRAM過於耗電，因此開始有所謂的PSRAM（Pseudo-SRAM，假偽型SRAM），PSRAM實為DRAM的結構、原理，但存取特性上卻與傳統SRAM相仿，使用PSRAM取代SRAM能夠讓設計更加省電。 由於傳統SRAM過於耗電，因此開始有所謂的PSRAM（Pseudo-SRAM，假偽型SRAM），PSRAM實為DRAM的結構、原理，但存取特性上卻與傳統SRAM相仿，使用PSRAM取代SRAM能夠讓設計更加省電，圖為Micron（美光）的PSRAM，稱為CellularRAM系列。（圖片來源：M）至於DRAM部份則改變不大，從過往的EDO RAM全面換成SDR SDRAM後，只會隨著產銷發展逐漸進展到DDR SDRAM及更後續的DDR2 SDRAM，倒是Palm公司曾在過去推出完全用NAND Flash為機內記憶體的PDA，因此未來也有可能朝此設計方向考慮：用NAND Flash替代DRAM。在非揮發記憶體的環節方面，還要細分成程式用與資料用，程式用多使用處理器內建的ROM，由於今日手持式設計的變化快速，所以多採行能重複變更儲存內容的Flash，且為了存取快速多使用NOR Flash，只有在無內建或內建容量不足時才會使用外接的NOR Flash。而資料用部份，在少量需求時最方便使用的是串列傳輸型EEPROM，多量時則當用NAND Flash，更多量則使用Micro Drive（微型硬碟），不過在用電上也是Micro Drive最耗，NAND Flash、EEPROM較低。 微型硬碟的用電高過一般的記憶卡，以同為CFType介面而言，記憶卡最高100mA，而微型硬碟則為500mA，然微型硬碟在高容量應用的價格容量比上有無可取代的優勢。圖為Hitachi（HGST）的6GB微型硬碟。（圖片來源：HGST.com）顯示、背光子系統（含LED指示燈號）顯示方面，LCD（無論STN或TFT）屬被動顯示，其背部需要有光源（一般簡稱：背光；Backlight）才能顯現，若是OLED則屬主動顯示，不需要有背光設計，甚至往後還有可能用OLED來做背光源，且是較具光均性的面光源。背光方面過去多只能用面光源（EL）、線光源（CCFL），近年來則因為技術突破，使白光型LED（點光源）的發光效率大增，讓背光源又多出了一種新選擇，同時也能充當簡易型的攝像用閃光燈（Flashlight）。關於背光源的選擇，同樣也是種權衡取捨的考量，就驅動電路簡易性來說WLED當屬第一，勝過EL與CCFL，但也最不省電。CCFL與EL雖然較省電，但電路就稍嫌複雜，EL需要有正向頻率弦波才能驅動（多是階梯、刻度型脈波來逼近、模擬正弦波波形），且驅動電壓要高，而CCFL也要正逆向的交流電才能驅動，一樣要較高的驅動電壓。當然！WLED有時也需要較高的驅動電壓，特別是以串聯方式驅動一個以上的WLED時，每加串一個就需要加倍的電壓才能讓WLED順向導通，進而驅動發光。不過WLED不需要反相，也不需要弦波，控制亮度只需用PWM方式調整Duty Cycle（工作週期，另也有人翻譯成：占空比）即可。不過，手持裝置的設計者也不用過度擔心，今日已有許多類比IC業者針對WLED應用需求而推出WLED驅動晶片，不僅可以驅動WLED背光、WLED閃光，連帶也能操控、管理一般的LED指示燈號（如：綠光LED、紅光LED等）。或者，也有晶片業者已將電源調節、轉換的功效內建到顯示驅動IC內（如：有的OLED驅動IC已內建DC/DC控制器，省去自行設計供電上的升壓電路），這樣就可以省去自行設計的功夫與程序。要補充的是，該用何種供電調整、轉換方式來因應背光需求呢？線性降壓絕對是出局，因為手持式裝置所用的電池在電壓上幾乎都低於背光所需的驅動電壓，所以必須用升壓，而電容切換、電感切換兩種技術都可以達到升壓，到底該採行何種呢？關於此可以從三點來考量：佈局空間、轉換效率、電壓品質，倘若對電壓品質沒有很高的要求，則電感法、電容法皆可使用，反之則選電容法，此外佈局空間拘限時也以電容法優先考量。至於轉換效率方面，若對效率很苛求自然得選電感法。 NS美國國家半導體公司的LM27951、LM27952、LM27964等白光LED驅動晶片，由於使用電容式切換調壓技術，所以外部不需使用電感元件，進而能以更小的電路面積來實現LED驅動電路，同時也有較高的供電轉換效率（與線性降壓相比），有助於延長手持裝置的電池使用時間。（圖片來源：N）音源、音效子系統關於音源、音效的供電設計，必須從兩方面來看，一是音訊的信號處理、傳輸（前級），另一是音效的功率放大、播放（後級）。在前級方面，在這個階段音訊只是微弱的類比信號，因此必須以高品質的工作電壓才能盡量減少類比信號在傳輸處理時的失真，既然品質被放在第一高位，且並非很高的電壓需求（用於參考電壓，Vref），所以必然是使用線性降壓來供電。至於後級，過往為了省電多採AB類的音效功率放大設計，理由是A類放大過於耗電，C類雖比AB類更省電但卻有高失真度的問題，所以只好採行AB類，目前也仍有許多行動用裝置是採行AB類，然而再精良的AB類功率放大電路都難以將功率轉換率提升至70以上。但是，近年來技術又有了新變化，D類放大器的出現，運用PWM方式來進行功率放大，雖然音質較AB類為差，但也未至C類的糟糕水準，然電源轉換效率卻極佳，一般都在80以上，加上手持式應用多在背景吵雜的公共場合，所以D類放大逐漸成為新的音效功率放大主流，也因此有許多類比IC業者推出D類放大的音效功率晶片。更理想的是，D類放大的電路也較為簡易、簡潔，需求的佈局空間極少，所以不僅適合用在內部空間有限的手持、行動裝置上，許多固定運用但有超薄設計理念的產品（如：超薄超平面電視的配屬喇叭、汽車車門內的喇叭）也傾向使用D類放大。此外還要提醒一點，由於D類放大採行PWM方式來重現聲波波形，過程中會用上與電容、電感式切換式調壓相同的技術，所以D類放大也有EMI雜訊放射、干擾的問題，這必須事先注意。攝影、錄影子系統無論是靜態的畫面拍攝，還是動態的連續錄像，都需要用上影像感測元件（Image Sensor），過往以來多是用CCD Image Sensor，但近年來有大量普及、換用CMOS Image Sensor的趨勢。為何會如此？幾個原因，CCD Image Sensor的驅動方式複雜，需要反相、交流電壓，相對的CMOS Image Sensor只需要正向電壓即可驅動，同時論佈局空間佔用、耗電等也都是CMOS Image Sensor佔優勢，雖然CMOS Image Sensor仍有些方面不如CCD Image Sensor，如光線趨暗時的感測性、感測雜訊等，但這類的問題仍持續以精進方式降低或克服。結尾除了無線通訊系統（如：GPS、Bluetooth、GSM等）外，本文大體上探述了所有與可攜式設計相關的組件用電特性及子系統，不過無線方面的用電設計也屬高品質要求（類比性的微弱電波），所以多不容許使用切換式的電壓調整，幾乎都用線性降壓來設計，然而在切換式調壓技術不斷提升後，其供電品質也有所改善，部份無線應用也有改採切換式調壓的設計。Zetex半導體公司的D類音效功率放大器（Class D audio amplifier）晶片：ZXCD1000。D類放大的用電效率高於AB類。（圖片來源：Z）桌上型電源管理設計：ATX供電系統之演進 前言：很多人也許會認為：桌上型系統由於體積較大，且有充沛的AC插座電源，所以基礎的供電設計部分不用太過擔心，不像手持、行動裝置的電源設計，需要在蓄電容量、機內容積（含散熱、EMI電磁雜訊干擾）、轉換效率、電源品質等各層面上進行取捨折衷。因此，許多桌上型電源設計的探討都逐漸轉移到更高的組態管理層次，如先進電源管理（Advanced Power Management；APM）、先進組態與電源介面（Advanced Configuration and Power Interface；ACPI）、智慧平台管理介面（Intelligent Platform Management Interface；IPMI）等，或者是談論硬碟的熱插拔供電（如：伺服器Server、儲存系統Storage Appliance等），或PCMCIA/Cardbus/ExpressCard的熱插拔供電（如：準系統Barebone、媒體中心Media Center、電視遊樂器Game Console、視訊機頂盒Set-Top Box等）。廣告然而真的是如此嗎？事實上即便是桌上型系統，其基礎底層的供電設計部分也依然在變動，就以ATX規範標準來說，到2005年都還有持續的改版精進。所以，本文將針對桌上型系統最普遍使用的ATX供電規範進行解說，好讓供電設計能更快理出頭緒。ATX 1.0、ATX 1.1ATX 1.0在供電上的設計比更早先的AT（Advanced Technology，先進技術）更為進步，在接頭設計上沒有過去P8、P9的錯接可能性（加入防呆機制），並且也正式將3.3V列為標準供電電壓，同時也增闢5VSB（Stand-By）的待備型供電線路，以及PS_ON#的內部式電源開關控制線路，如此可方便實現各種喚醒（含開機）應用，如遠端喚醒、定時喚醒、週邊喚醒等。 ATX供電器的主供電接頭（Main Power Connector）圖，最初的版本為20-pin（210），之後在v2.2版時增為24-pin（212），以因應主機板上更高的需求電力。（圖片來源：www.FormF）ATX12V v1.3版中新增了對Serial ATA（簡稱：SATA）供電接頭的定義，提供了12V、5V、3.3V的供電，其中12V多用於驅動碟機馬達，5V與3.3V則用於控制晶片與電路。（圖片來源：www.FormF）附註：過去AT時代稱為PG（Power Good）的供電備妥信號線路，在進入ATX後名稱轉變成PWR_OK（Power OK）線路，但功效、用意不變。ATX 2.0、ATX 2.01到了ATX 2.0，原有文件規範中是將機外冷空氣吸入機內以幫助散熱，然而之後發現如此反而不利於排熱，致使機內的處理器過熱，所以將氣流動線反轉，成為自機內吹排到機外。再者，ATX 1.x階段對PS_ON#、PWR_OK、5VSB等的運作特性說明不足，使軟開機、喚醒等應用的實現不夠理想與標準化，所以在ATX 2.0也進行強化解釋與補充，同時也要求將開機、喚醒之用的啟動電流加大，過去訂立的電流值過小，有時會造成開機、喚醒的失敗。還有，在ATX 2.0版中也引入過去PC95、PC97規範文件中所常用的Required，必備、Recommended，建議、Optional，選用三層次功能說明，在ATX 2.0中就把3.3V供電及軟電源控制信號訂為必備。 ATX v2.2版追加了一個4-pin（22）的新供電接頭，稱為ATX12V Power Connector，此一新訂立的動機主要是期望能給中央處理器一個獨立、就近、且充沛的供電。（圖片來源：www.FormF）附註：軟電源指的是可以由軟體（多指作業系統）來操控開機Boot/Power-On、關機Shutdown、重新開機Reset、休眠Suspend、喚醒Wake-up等功效，而實現這些操控所要運用的線路也正是PS_ON#、5VSB等。而且，ATX 2.0首次將選用的供電接頭納入規範，除原有必備的20-pin供電接頭外，額外定義了一個6-pin的供電接頭（Optional Power Connector），能提供風扇轉速監督（Fan Monitor；FanM）、風扇轉速控制（Fan Control；FanC）、IEEE 1394供電（8V40V）、IEEE 1394接地、遠端3.3V感測等功效，且還保留一個腳位供日後定義。另外，ATX 2.0也將供電線路進行顏色化規定，讓製造生產者能夠更直覺、快速地辨識與配接線路。ATX 2.02、ATX 2.03由於需求功率的持續增加，ATX 2.02針對250W、300W（Watt，瓦）的組態又增訂了一個新的供電接頭，稱為輔助供電接頭（Aux Power Connector），原有的20-pin則稱為主供電接頭（Main Power Connector），輔助供電接頭為6-pin，主要是用來增強5V與3.3V的供電力，定義中5V最高可至30A（Amp，安培）的電流輸出，而3.3V最高可至18A的電流輸出。 ATX的本規標準中原有定義一個選用的6-pin（23）供電接頭，能用來實現智慧型風扇（轉速監督、操控）、IEEE 1394獨立供電、以及3.3V遠端感測等。然在之後的新版規範中就不再提及。（圖片來源：www.FormF）此外，ATX 2.02也對過去的一些供電規範進行些微修正，以更貼近務實，例如-5V及-12V供電若依據原有的規定，僅允許正負5的電壓準位擺盪，此稱為電壓容錯度、容忍性（Voltage Tolerance），但在ATX 2.02則加以放寬，允許到正負10的擺盪。ATX 2.1到了ATX 2.1版又有了更大的改變，追加了一個ATX12V Power Connector的4-pin供電接頭，直接對處理器提供12V的供電（據了解，主要是因為Pentium 4之後的處理器用電過兇，才有增設此一額外供電連接器來因應、抒解處理器的用電需求），此一12V供電不僅可提供處理器的運算用電（將12V降壓成3.3V的Vio電壓與更低的Vcore核心電壓）外，也可供電給處理器的散熱風扇。ATX 2.2至於ATX 2.2主要有兩個重大變化，一是最初的20-pin主供電接頭擴增為24-pin，並且也對腳位進行些許調整，這主要是因應PCI Express（簡稱：PCIe）所致，原因是PCI Express需要更多的用電。另一則是：若主機板上使用了ATX12V的4-pin（2x2）供電接頭，則允許移除、省略使用更早之前所定義的6-pin（3x2）輔助供電接頭。除這些外，也微幅調整3.3V供電的電壓容忍性。ATX12V PSDGATX規範在提出ATX12V之後，也將多數的電源供電規範轉移到AXT12V範疇內，自此讓供電設計的規範說明（Power Supply Design Guide，簡稱：PSDG）更加獨立，2000年2月ATX12V規範發佈1.0版，之後陸續有新版發展，最新版為去（2005）年3月提出的2.2版。到底ATX12V的各版演進內容為何？以下筆者就逐一解釋：ATX12V 1.0版，2000年2月首版發佈。ATX12V 1.1版，2000年8月增加3.3V的供電電流。針對供電分享，Power Sharing進行更多說明。縮編部分規範內容與格式修正。ATX12V 1.2版，2002年1月訂立典型用電的供電配送規範。在供電配送表（Power Distribution Table）中增加所有5V供電的供電量，增至0.3A。對PS_ON#這條開機控制線路進行補充說明：倘若控制用的驅動脈波不能維持一定時間的準位信號，即是在10mS100mS（毫秒）的時間內讓準位跌落至標準之下，則電源供應器的狀態記存（Latch）就不會生效，正常而言會記存關機，Shutdown的狀態（State）信號。移除所有供電配送表中-5V的供電資料。ATX12V 1.3版，2003年4月更新供電電壓與供電電流的規範指引。新增對輕載用電與典型用電的電源轉換效率指引。提升對最低電源轉換效率的要求，滿載用電時須達6870。新增對Serial ATA（簡稱：SATA）供電接頭的定義。新增對供電器運作時的噪音層級規範。更新版本規格表的格式與資訊。更新規範書聲明的資訊。移除在ATX本規上的指引內容。移除-5V供電線路的指引。更新能源之星，Energy Star，省電模式及狀態與待備狀態的電源轉換效率，Stand by efficiency的規範指引。 ATX規範文件中示範了一種最簡單的風扇轉速監測電路，同時也可分支給主機板上的監督電路（多半為硬體監督晶片）。（圖片來源：www.FormF）ATX12V 2.0版，2003年2月新增專用術語的章節說明。新增250W、300W、350W、400W功率的設計指引。更新跨調整圖（Cross Regulation Graph）。更新用電負載表的資訊。更新用電需求的轉換效率，並加入建議效率。提高供電能力以因應更高的需求用電，同時也提高典型用電及輕載用電時的最低轉換效率。主要供電接頭從20-pin提升成24-pin。移除ATX主規時代所訂立的輔助供電接頭。將SATA裝置用的供電接頭正式列入必備。ATX12V供電接頭（22）採行獨立限流設計。ATX12V 2.01版，2004年6月將3.3V遠端感測線路設置到主供電接頭（24-pin）上。更新主供電接頭上12V2直流供電輸出的雜訊、漣波資訊。移除-5V的參考電壓。更新5VSB的最大電流升降步階。針對電壓持升時間而修改115 VAC頻率。ATX12V 2.1版，2005年3月新增450W功率的設計指引。提升之前已訂立的250W、300W、350W、400W等供電組態的供電力（輸出電流量）。跨負載更新（從250W450W）。更新用電負載表。提升供電轉換效率的必備（最低）需求。提升5VSB的待備電流（增至720mA）。ATX12V 2.2版，2005年3月更正12V2的負載層級表。在主供電接頭中新增串接的高電流終端電阻。在ATX12V供電接頭中新增串接的高電流終端電阻。結論瞭解上述的設計與規範變更就足夠了嗎？答案是否定的，設計規範中也對其他相關層面有定義，例如供電線路的線徑（直徑）方面，3.3V遠端感測用的是18AWG，若改換成3.3V供電用途（300W功率組態下）時則改採22AWG，至於一般的12V、5V、3.3V供電則建議用16AWG。其他還有接頭的供電線路最多允許長度（12V允許達28cm，其他則允許到25cm）、風扇的配置位置，風扇的直徑（須有8cm以上）、進氣量（典型而言須在2535CFM以上），就連進氣口要預留多少空間才能順利吸入足夠的散熱用冷空氣，也都有詳細的定義（須預留0.5空間）。最後，不僅ATX供電器要符合上述的種種要求與規定，其他如CFX、SFX、TFX、BTX、LFX等其他構型（Form Factor）的主機板、供電器等設計也都要以ATX供電規範為基礎依歸，由此可知即便是桌上型供電系統，在基礎供電層面上也依然有持續的發展演進，如何讓標準跟進與產製成本取得平衡，這對設計工程師來說也是一大挑戰。ATX主供電接頭中，PS_ON#線路的信號特性圖。（圖片來源：www.FormF）克服關鍵因素讓手機電源管理更有效率的確，手機功能愈來愈複雜，這代表著內建在手機裡的元件種類愈來愈多，從過去只有簡單通訊發收話功能及單色顯示螢幕（STN或LED）開始，一直到今天的3G功能手機，這其中，增加了太多的技術與能力，但是，每當一項新功能被加入手機時，立即性被影響的除了成本外，還有對於各元件功耗的分配，這考驗著手機設計工程師。當然，除了期待因為電池的進步外，如何選擇市場上的各式解決方案，及對於整體架構的規劃，以達到符合消費者對於長時間使用手機的期待，這樣的目標使得設計任務變得更加艱困， 因為，目前大多的手機產品都被要求，當然成一次充電動作後，能夠有數天的連續工作時間。 因為如果期望減少系統對於功耗的需求，而只是一味的降低電壓的話，這樣是會對手機系統帶來一定程度的影響。廣告從射頻開始著手省下無謂損耗在目前手機整體系統中，除了顯示螢幕外，耗功量最大的莫過於是射頻的區塊，往往最大電流值都會超過1安培，這對於電源有限的手機來說，又是一大耗功殺手。目前來射頻元件幾乎都是以GaAs的HBT技術來生產，但因考量期望降低這一部份的耗功需求，所以，必須慢慢的轉換採用E-pHEMT這樣的技術來生產相關元件，因為採用E-pHEMT可將工作電壓調降至2V左右，以及能有效的解決溫度飄移問題，如此一來可以有效的降低部分功耗，再加上可以去除原先使用HBT生產射頻元件，還必須搭配使用限流電阻的因素，這樣可以省下一些無謂的損耗。此外新一代的手機都會要求採用線性RF功率放大器，或許效率並不是很高。可能在28dBm的最大功率輸出下，效率只有45左右。同時大部份時間，這些元件都處於低度運作狀態狀態，功率輸出在12dbm以下，而這個時候的效率只有5。所以在系統中或許可以將 線性RF功率放大器的電源電路予以獨立，當線性RF功率放大器進入休眠狀態下，就可以關閉線性RF功率放大器，而當系統需要時，再予以開啟。如此一來，手機就可以依照訊號的強弱度來調節線性RF功率放大器，而降低整體的功耗。降低噪音無形中可減少元件使用手機的生命週期相當短，整體的架構設計相當快速的在改變，並且每一款手機的功能或多或少都有一些差異，使得整體的設計都隨之不斷的在變更。而基頻元件的部分，因為多半是CMOS製程，這一方面可以有效的利用製程技術來降低本身對於功耗的需求，並且更可利用動態電壓頻率變換來調整電壓與工作頻率，在待機的狀況下避免浪費過多電源。因為期望提昇手機本身的競爭能力，來達到吸引年輕的消費族群，往往在手機上，就會設計相當多炫麗的影音功能，包括使用相當耗電的TFT LCD作為主、次面板的顯示器，及增加更多的音訊功能，如MP3播放、多和弦鈴聲和FM廣播等功能。當然，在提昇手機競爭力的前提下，加入這些功能是必須被考慮的，及整體的電源電路設計也是相對的困難許多。但是事實上，這些元件也佔去了相當大部份的功耗比例。就以音效功能來說，如何讓音訊電路最佳化，及完成低耗功設計，就成了延長使用時間的一大課題。因為，手機大多需要能夠符合噪音抑制等條件，所以一般來說，需要低噪音的手機電源中，都是利用壓差線性穩壓器（LDO）作為必須的元件，來有效降低噪音。LDO的結構是一個微型的片上系統，由作電流主通道具有極低在線導通電阻RDS（ON）的MOSFET、肖特基二極體、取樣電阻、分壓電阻、過流保護、過熱保護、精密基準源、差分放大器、延遲器和POK（Power OK）MOSFET等專用電晶體電路在一個晶片上整合而成。但這麼一來又會多出LDO對於電源的需求。就理論而言，雖然，LDO是一個耗功相當低的元件，只是仍舊必須加以正視，尤其在目前對於功耗必爭的環境下。如果將音訊放大器的PSRR提高到超過60dB，或許就可省掉使用壓差線性穩壓器，或許這不是最聰明的方法，但是也許是另一個層面的設計思考。特殊電源管理晶片模組是個好主意嗎？除了附加功能外，另外基頻最重要的部分，就是針對中央處理器和數位訊號處理器的供電，大多的設計工程師都會為這部份單獨設計出提供降壓升壓功能的電源管理調節器，而這一個模組則是把電壓調節器、監控器和電壓控制器整合在一片IC上的ASIC元件。不過有人提出，這樣是否真正解決了問題？也就是說，這樣的設計到底帶來了多大的好處。當然，就如大家所知道的，這樣的一個特殊電源管理晶片（PMIC），可以相當有效的減少電壓調節器的使用量、節省電路板空間，及降低一些手機的製造成本。但提出疑問的人也質疑，這樣的模組是需要特別訂製的，在進行這一模組開發時，當遇到一些問題而拖延了完成的時間，進而影響到手機的整體速度，是不是會有些所失者大，所得者小？再加上，整體的成本是否真的因此而降低，或適得其反？因為在數量規模有限的情況下，生產成本絕對難以大幅度下降。另外還有一個因素，以今天的市場變化來說，手機的生命週期相當的短，整體的架構設計相當快速的在改變，並且每一款手機的功能或多或少都有一些差異，使得整體的設計都隨之不斷的在變更，所以，在這樣的前提下，就會有人開始出現，與其使用高效率的特殊電源管理晶片模組，不如採用彈性度、靈活性更高的電壓調節器，這樣的想法。對於基頻的處理器來說，如果不使用CPU-DSP作為媒體處理器核心，而是使用ARM CPU，或者是X-scale處理器的話，那麼是否要開發特殊電源管理晶片模組就真的有必要好好的考慮一下。擅用電壓調節器規劃所以手機的一些附加功能，對於電壓調節器來說，往往都是一項新的挑戰，因為，針對手機上的音效、顯示器或其他的元件都必須提供高精確度的電源電壓。不同的元件有不同的電壓要求，在來自電池3.6V的固定電壓後，就必須進行轉換成為大小不同的電壓，然後輸出到每個元件，例如，必須同時滿足1.8V的數位訊號處理器、3.3V的輸出入控制晶片、顯示被光所需求的4.5V，及5V的USB驅動控制等等。甚至若在手機上使用氙氣閃光燈，電壓調節器更必須有能力瞬間將電壓增高到4000V，而在達到這些不同電壓輸出要求前，還必須擁有高度的升降壓效力，以確保寶貴的電源不至於出現無形的浪費，並且還要顧慮到預防電路過熱的情況。這些對於整體電壓調節器的電源電路設計都是相當大的挑戰。克服背光驅動減少顯示器功耗當然，除了上述的這些關鍵性因素外，顯示器也是手機耗功的一大問題，因為目前手機上大多是使用TFT LCD作為顯示器。TFT LCD本身就是一個相當耗電的元件，除了本身的驅動電路外，還必須借助背光光源才得以發揮顯示的效果，就背光光源來說，LED的驅動就是一項相當大的考驗，背光驅動電路不能只是簡單的On/Off設計，還必須有調節驅動電流，來改變LED的亮度。 LED是由電流驅動的器件，其亮度與正向電流呈比例關係。有兩種方法可以控制正向電流。第一種方法是採用LED V-I曲線，一般利用一個電壓電源和一個整流電阻器，來確定產生預期正向電流所需要向LED提供的電壓。但是這種方法，有一些缺點，例如，LED正向電壓的任何變化都會導致LED電流的變化。假設固定電壓為3.6V、電流為20mA，當電壓變為4.0V時，溫度或製造變化會引起的特定壓變，那麼電流將可能降低到14mA。所以正向電壓出現較大變化時，會導致更大的正向電流變化，另外壓降和功耗也都會浪費功率和降低電池使用壽命。第二種方法是利用固定電流來驅動LED。固定電流可消除正向電壓變化所導致的電流變化，因此可產生固定的LED亮度。利用固定電流只需要調整通過電流檢測電阻器的電壓，而不用調整電源的輸出電壓。 因為期望提昇手機本身的競爭能力，來達到吸引年輕的消費族群，往往在手機上，就會設計相當多炫麗的影音功能，包括使用相當耗電的TFT LCD作為主、次面板的顯示器。電源電壓和電流檢測電阻值決定了LED電流，在驅動多個LED時，只需串聯就可在每個LED中達到固定電流。而在驅動並聯LED時，必須在每個LED串中放置一個整流電阻，但是這樣將會導致效率降低和電流失配。白光LED通常會採用升壓驅動電路，可能是使用充電泵或是採用電感器的設計，對背光效率的考量則會因顯示器的實際使用頻率而有所不同，提供了兩種選擇，採用電感器的設計擁有最佳的效率，同時能夠