不斷地加入新功能或提升其運作效能，是手機、智能型手機、數(shù)字媒體播放器或數(shù)字相機等可攜式產(chǎn)品發(fā)展的趨勢。這類需求通常需要使用更強大的處理器并加入更復雜的模擬電路，但結果往往會使應用電路更加耗電。對于不斷提升的電源需求，增加電池容量也許是個解決之道，增加電容則可藉由更大的電池或更進步的電池技術來達成。加大電池尺寸通常不是常見的做法，因為電池外殼也有尺寸限制。由于現(xiàn)有的電池技術及開發(fā)中的新技術皆無法在不改變目前電池尺寸的情況下滿足這些提升的電源需求，因此亟需更進階的電源管理電路。另一方面，市場對于解決方案尺寸上的嚴格要求，也使得此一挑戰(zhàn)更加嚴峻。

以往，只要使用幾個線性穩(wěn)壓器便能提升所需的效能。這些線性穩(wěn)壓器直接連接于電池，以產(chǎn)生所需的系統(tǒng)電壓軌，而可攜式產(chǎn)品使用的許多電源管理裝置都只使用線性穩(wěn)壓器來控制電源。過去使用的一般電池技術都采用 3 節(jié)鎳鎘 (NiCd) 或鎳氫 (NiMH) 電池。為了達到更高的效能，這些化學材質電池幾乎已完全被單節(jié)鋰電池所取代。隨著應用所需的電流不斷增加，某些線性穩(wěn)壓器也已被成本較高但效能較佳的降壓轉換器所取代。處理器核心及 I/O 等的電源軌就是如此產(chǎn)生的。

由于線性穩(wěn)壓器及降壓轉換器只能夠在輸入電壓較高的情況下調節(jié)輸入電壓，因此，如果電池電壓低于設定的輸出電壓，系統(tǒng)就必須關閉。其中，線性穩(wěn)壓器的較低壓差容限或橫跨電感與開關的壓降容限必須加入輸出電壓中，因此，在鋰電池一般所產(chǎn)生的3.3V 電源軌中，使系統(tǒng)關閉的一般電池電壓是 3.4V。在此情況下，便無法使用放電至 3.0V 時才會出現(xiàn)的剩余電源。在現(xiàn)有鋰電池中，透過測量可顯示的剩余電源大約是 10%，這表示，任何電源管理解決方案若要使用此剩余電源，其運作效率必須高于降壓轉換器解決方案減掉大約 10% 之后的效率。換句話說，除了使用平均效率約為 97% 的降壓轉換器，其他任何替代解決方案的執(zhí)行都必須發(fā)揮高于 87% 的平均效率，才能增加單顆電池電量在應用中的運作時間。這對升降壓轉換器解決方案而言是個相當困難的挑戰(zhàn)。SEPIC 或返馳式解決方案的一般效率較多可達到經(jīng)濟型可行解決方案的 85%。若要達到此效率，必須考慮同步整流等多種提升效率的方法，而且此一解決方案的尺寸勢必會大于降壓轉換器的尺寸。使用 4 次開關的升降壓轉換，其中固定會有 2 個開關同時主動切換，才可在優(yōu)化的解決方案中達到近似 85% 的效率。從這個觀點來看，升降壓轉換器的使用毫無優(yōu)點可言，所以過去完全不予實行。

除此之外，還有其他挑戰(zhàn)必須克服。例如，手機會在數(shù)據(jù)傳輸期間使用高電流脈沖供電給 RF-PA。這些脈沖電流會直接取自電池，造成電池阻抗及電池連接器出現(xiàn)額外的電壓降幅，進而可能會使得系統(tǒng)電壓監(jiān)測裝置在電流脈沖期間因為電源電壓不足而關閉系統(tǒng)。手機里 LED 型相機閃光燈應用或媒體播放應用的硬盤驅動，都會對電池造成類似的效應。老化或低溫所導致的電池阻抗增加將使這些問題更形嚴重，此時可使用升降壓轉換器來處理重要系統(tǒng)電源軌的電源電壓降幅。如此一來，系統(tǒng)的運作將更加平穩(wěn)，而且可對較低的電池電壓進行放電。此外，電池的效能也相對提升。使用較寬的輸出電壓范圍通�？稍黾与姵厝萘浚�例如未來的鋰電池技術較高可充電至 4.5V，而放電程度較低可達到 2.3V。如果在 3.4V 即行斷電，就會有相當多的電池容量未被使用到。另外，目前有許多電池技術能夠以低于 3.4V 的電壓進行運作，硫化鋰電池便是其中一例。

此一情況無疑需要進行升降壓轉換。其中一個可行的簡易方式是藉由產(chǎn)生單個高系統(tǒng)電壓軌（例如 5V）以產(chǎn)生高于電池斷電電壓的所有系統(tǒng)電壓軌。使用較大的高效率升壓轉換器及串聯(lián)的降壓轉換器通常就能夠達到此目的，其整體的電源轉換效能可輕易到達 90%以上。然而，額外添加升壓轉換器會占用更多空間，因此對于可攜式手持裝置并非切實可行。

另一種方法是利用升降壓轉換器直接從電池產(chǎn)生系統(tǒng)電源軌。如前所述，電源轉換的效率對設計出具競爭力的電源管理解決方案來說是一個相當重要的參數(shù)，另一項重要參數(shù)是解決方案的尺寸。就這點來說，采用 SEPIC 或返馳式拓樸的升降壓轉換解決方案并不適合，因為該方案需要額外的大型被動組件，并且通常其效率較低。運用 4 個開關的單一電感解決方案較能夠滿足這些需求。然而，在操作中使用簡易的驅動機制時，固定會有 2 個開關同時進行操作，導致流經(jīng)這些組件的 RMS 電流較高，因此會降低效率，而且會增加電感及開關在尺寸上的需求。如果僅主動驅動一側的開關，也就是一直將裝置做為降壓或升壓轉換器之用，則可達到較高的效率，而且由于 RMS 電流較低，因此解決方案尺寸較小。在此情況下，降壓及升壓轉換會在兩個拓樸都達到較高效率的運作點時完成。圖 1 的范例顯示升壓 (TPS61020) 及降壓 (TPS62046) 轉換器的效率與輸入電壓曲線。

圖 1. 升壓 (TPS61025) 及降壓 (TPS62046) 轉換器的效率與輸入電壓曲線。

圖 2 以TPS63001 為例，顯示了優(yōu)化升降壓解決方案的效率與輸入電壓曲線，展示出這類控制策略的絕佳實作方式。

圖 2. 升降壓轉換器 TPS63000 的效率與輸入電壓。

正如同前文對獨立式升壓及降壓轉換器所做的預測，當輸入電壓和輸出電壓接近時，所達到的效率較高。由于這是升降壓解決方案較可能的運作情況，因此 TPS63001 能夠妥善解決這類應用的挑戰(zhàn)。 

如圖 2 所示，在重要的運作輸入及輸出電壓上，優(yōu)化的控制機制能夠達到 95% 的效率，因此 TPS63001 也可用來改善標準鋰電池供電應用的運作時間。使用電池的全部電量，并且在整合式安全電路可承受的范圍內放電到 3.0V 甚至是 2.5V，便能夠達到此一目的。圖 3 顯示使用 TPS63000 將鋰二氧化錳 (Li-MnO) 電池放電到 2.5V 時，其電源轉換的效率。相較于高效能降壓轉換器的電源解決方案 (TPS62046)，藉由對兩種轉換器架構使用相同負載，電池使用時間可提升 15%。

       
圖 3. 升降壓及降壓轉換器在鋰二氧化錳電池放電期間的效率。