现代便携式设备电源办理解决方案的开发商正面临各种应战，不只需让规划更精巧、更廉价与更省电，还要有更大灵活性。一个渠道只需求略为修正就能习惯不同商场的各种终端产品。本文以一套便携式导航体系为例介绍三种不同的电源办理解决方案概念，一起阐明这些概念会跟着首要需求不同而各有长处与用处。这三种概念是彻底集成规划 (full integraTIon)、热最佳化部分集成规划 (thermally opTImized parTIal integraTIon) 和布局最佳化分立规划 (layout-optimized discrete)，至于单个环境的最佳架构则有必要视全体的技能、运用和商业需求而定。

    便携式导航体系又称为个人导航辅佐体系 (Personal Navigation Assistants)，是消费电子商场生长最快的范畴之一，可满意运用者根本的方向感与导航要求。运用便携式导航体系供给定位服务 (LBS) 现仍在开端开展阶段，但此范畴将自2010起快速生长，特别是欧洲新布置的伽利略 (Galileo) 商业体系必定会带动进一步开展。便携式导航功用还可扩展运用到其它的便携式运用者设备，这正是许多便携式产品都有必要面临电源架构应战的原因。

本文要点放在售后零件商场的典型商用便携式导航体系。图1是这类体系的框图。

    体系的GPS卫星接纳器会将原始数据供给给处理器，处理器则依据数字地图信息(一般透过贮存卡供给)比对这些数据，再以图形和数字将成果显现在6到12公分的大型TFT屏幕。体系一般还会供给USB接口以便数据交换运用，此接口有时还能做为充电电池的电源。操控接口一般包括触控屏幕和某些按键，电源供给则由一颗锂离子电池和轿车电路体系的联机供给。充电电池能让顾客接连运用设备数小时，例如行人可用它寻觅特定地址。野外专用设备的要求则有所不同，比如登山者或摩托车骑士就需靠着电池在外面运用一整天。体系还会透过集成式喇叭宣布语音导航指示。大都制造商都会运用单一技能渠道，然后添加恰当功用以满意不同商场需求。

    此处所述的运用环境根本上决议了电源办理体系规划的首要需求；除了电压与电流外，它还要如图1所示供给不同顾客所需的功用。体系还须采纳办法监控充电电池、保证充电安全和操控屏幕亮度；别的，由于可用空间恰当有限，解决方案有必要很精巧。仪表板方位须能削减热量发作，由于直接曝晒在夏天阳光下会使周围温度升高。接纳机灵敏度是很重要的要素，它会对运用者形成直接影响。整个体系因而只能发作很少的电磁辐射，以防止内部搅扰形成接纳机的信噪比下降。一套适用不同商场的共通渠道架构还需求最大灵活性，以便支撑硬件与软件修正与其它附加功用。

   电源办理架构的首要需求可归纳如下：

• 规划精巧，零件数目很少；
  
• 电磁搅扰很小；
  
• 灵活性规划；
  
• 电源功率很高，热量发作很少。

    怎么才干让最佳架构规划满意这些要求？根本上有三种不同办法，它们各有其要点。本文将运用商场上买得到的组件具体阐明这些办法，然后评论它们的优缺陷。

    一种清楚明了的解决方案是把一切的有源 电源办理功用集成至一颗芯片。图2就以德州仪器 (TI) 的TPS65820为例阐明这种办法。这款芯片不只有两个降压转换器供给电源给处理器芯核、程序内存和闪存，还包括多组线性稳压器做为贮存卡的电源供给以及卫星接纳器和音频编译码器的低噪声电源。它还集成电池充电电路以及屏幕背光照明的升压转换器，使一颗芯片就能供给一切的电源办理功用。

    TPS65820选用7×7mm QFN封装。由于电源转换器的开关频率很高，故能运用很小的电感与电容。此处的规划还将芯片的最大高度列入考虑，因而电路板的一切有源与无源元件高度都小于1毫米。

图3 彻底集成式规划的元件方位组织 (芯片为赤色，电感黄色，电容蓝色，电阻棕色，二极管绿色)，电路板面积约170平方毫米

    整个模块的规划布局恰当精简。这可所以项长处，只不过它需求挨近正方形的电路板空间，假如布局太不规矩就或许发作问题。彻底集成式解决方案的另一缺陷是缺少灵活性，很难一起到达不同商场的要求，比如充电器对低端产品或许过于巨大，或许驱动电路无法满意高端体系的大型屏幕背光照明需求。彻底集成式体系还或许形成运用规模受限，例如只能用在低本钱而高产量的商场。

    这种规划较重视灵活性，它会把渠道一切机种的相同电源供给悉数结合至一颗芯片。图4以TI的TPS65050为例阐明这种做法，它会供给电源给处理器芯核、外部内存电路、卫星接纳器的贮存卡和模仿电路以及音频编译码器。

图4 运用TPS65050部分集成处理器相关电源，并以BQ24032A做为充电组件，TPS61061担任白光LED驱动器

    屏幕背光照明的白光LED电源是由分立组件供给，这能让同一渠道的不同机种运用不同的屏幕。例如只需以TPS60230之类选用电荷泵技能的解决方案替代分立式LED驱动组件TPS61061，就能运用LED并联 (而非串联) 的屏幕。

    运用独立充电组件BQ24032A让「热最佳化部分集成」更为显着。2Ah以上高容量电池的充电电流最高可到达1.5A。由于运用设备在耗尽电力的电池透过此办法充电时仍须持续作业，因而总电流会等于操作电流与充电电流之和，这将使充电组件由于外部电源与电池之间的电压降而呈现巨大功耗。「热最佳化部分集成」则将这项功用移到选用散热最佳化封装的独立芯片，这样就算呈现很大的耗电也只会形成充电电流下降，而不会像彻底集成式解决方案相同导致过热关机，或是由于降压转换器 (特别是LDO) 的功耗而发作更多热量。别的，只需运用独立的充电组件，规划人员即可调整这项功用以习惯同一渠道的不同机种，例如选用大型或小型电池，或许挑选是否供给USB充电功用。

图5 热最佳化部分集成规划的元件方位组织。色彩标明办法与图3相同，电路板面积约为165平方毫米。热量首要来自BQ24032A和TPS65050，它们在电路板的方位能够尽量离隔

    这种规划不会糟蹋电路板空间，解决方案的巨细与彻底集成式规划差不多。元件的方位则更有灵活性，这对形状不规矩的电路板很有帮忙。规划人员还能将温度很高的组件放在恰当方位，并保证这些简单发烫的元件均匀分布在电路板上。

    假如从彻底集成到热最佳化部分集成算是一种部分分化，咱们当然能更进一步创造出彻底由分立元件构成的解决方案。这类解决方案必定会有最多的元件，这不只使元件清单和库存办理更杂乱，一般也会是最贵重的架构。但尽管如此，这类解决方案仍有许多值得选用的理由。

    咱们的便携式导航体系将以前面说到的BQ24032做为电池充电稳压器，以TPS61061做为屏幕背光照明电源，处理器相关电源则由两个降压转换器发作 (TPS62300)。分立解决方案有必要选用晶圆芯片级封装 (WCSP) 之类的先进微型封装技能，才干将规划缩小至彻底集成或热最佳化部分集成解决方案的水平。由于封装的体积和寄生阻抗都很小，这类规划可将开关频率进步至3MHz以便运用小型芯片线圈和输出电容。这类解决方案还能选用芯片级封装的线性稳压器，例如此处所用的TI TPS799xx组件。

图7 分立解决方案的元件方位组织。色彩标明办法与图3相同，所需电路板面积约为175平方毫米。规划的形状会跟着电路板形状而改动

   只需选用最合适的微型封装组件，这类规划就能将电路板面积缩小到高度或彻底集成式解决方案的水平。

有两种理由或许促进规划人员挑选分立解决方案。首要，许多电路板的形状很不规矩，特别运用电池的便携式产品最常遇到这种景象。它们有许多凹口来设备电池、操控组件、天线或屏幕。日益盛行的平面模块则让电路板良莠不齐，有时乃至无法运用高度集成的解决方案。跟着电压转换器的开关频率到达2MHz以上，无缘元件的方位有必要尽量接近组件引脚以防止电路不稳定并下降电磁搅扰。彻底集成式解决方案对元件方位的约束很苛刻，任何改动都会影响体系功用。这类 电源办理方块大都选用正方形或略似长方形的结构。

    若选用分立解决方案，就算是很不规矩的电路板也能完结功用完好的规划。运用分立规划的第二个理由是可将电磁搅扰减至最小。导航体系的接纳机灵敏度是非常重要的运用者考虑要素，有必要在天线端供给杰出的信噪比才干保证接纳灵敏度。分立规划能够将潜在的噪声源与搅扰源组织在间隔天线较远的当地，一起将线性稳压器或电池充电器等较不重要的功用放到接近天线的方位。除此之外，咱们也更简单在规划发作问题时替换特别重要的元件，而不必从头修正整个规划。例如背光照明便是非常重要的功用，这是由于大都用来驱动白光LED的升压转换器都会走漏电流，所以在某些景象下会发作电磁搅扰。在彻底集成式组件里，背光驱动器的电磁辐射是一项非常重要的特性，若发作问题就或许需求运用另一颗独立的驱动组件，而对产品本钱形成晦气的影响。

    本文要点放在个人导航辅佐体系 (PNA) 这种现在最常见的便携式导航设备。咱们现在将开端考虑每一种做法的未来开展性。举例来说，导航体系与便携式多媒体运用的集成不只是在意料之中，并且很有必要。MP3播放机的集成不需额定的 电源办理组件，因而不必大幅修正渠道即可将此功用参加导航体系。视频播放机的集成则彻底不同，贮存媒体(多半是硬盘)一般需求升降压转换器来发作操作电压。大型屏幕需求更多LED做为背光照明，故需更强壮的电源转换器。假如高画质视频运用也在规划中，整个处理器电路有时就要彻底修正，由于它需求运算才干更强壮的其它处理器单元，但这也会使总电流耗费大增。想在不运用轿车电源的景象下延伸产品作业时间，电池的容量就有必要添加。此刻，整个体系比较像一台包括导航等扩大功用的便携式视频播放机。这些概念还能用于便携式游戏运用。热最佳化部分集成是这类会聚体系 (convergent system) 的最佳解决方案，由于这种解决方案能将处理器相关功用的电源办理标准化，一起保持完好的外围规划灵活性。会聚体系的彻底集成芯片常遇到内建电源转换器不符实践需求的景象，热最佳化部分集成解决方案则能防止这类问题，进而将体系本钱最佳化。

    本文介绍的三种办法都能在不影响电路板面积的景象下完结规划作业。彻底集成式解决方案合适不需灵活性的高产量运用，分立解决方案则有助于完结困难电路板布局并到达苛刻的电磁兼容性要求。热最佳化部分集成解决方案一般是前两种做法的折衷，特别合适有必要支撑不同商场的模块化规划。

    特定环境下的最佳做法须视体系规划的首要需求而定。全体需求是由单个商场需求、技能或许性和商业环境等许多要素组合而成，因而各部门有必要在概念阶段密切合作才干得到最好的成果。幸而TI等大型半导体厂商已能供给品种广泛的组件支撑这些概念，并由受过电源办理技能专业训练的运用工程师供给帮忙。