背景
以採用微型硬碟(HDD)之電池供電手持產品做為主要儲存媒體的產品，近期可能發生一場“完美風暴”。目前，有3種市場驅動因素正匯聚，並可能在這些可攜式產品的電池續航力上產生極大的突破。這類可攜式產品，包括可攜式播放器(PMP)、MP3播放器、數位相機、數位錄影機(DVR)、智慧型手機與GPS系統等。
第一個市場驅動因素，是新陰極化學材料鋰離子(Li-Ion)電池的出現，這類電池不僅提高容量，更擴大工作電壓範圍。第二個驅動因素，是最近推出的微型硬碟，其直徑小於1英吋，儲存容量卻高達20GB。最後一個驅動因素，則是高整合度、低電流、升降壓轉換器的問世，這種轉換器的輸入電壓可高於、低於或等於輸出電壓，轉換效率高，峰值電流能力足以在微型硬碟驅動器旋轉時為其供電。
提升鋰離子電池效能
鋰離子電池最流行的形狀之一是18650圓柱型，這種電池最先於90年代早期首次推出。當時18650鋰離子電池的容量僅為960mAh。受當時採用的電極系統的限制，電池製造商無法提高電池容量。面對陰極和陽極材料限制電池容量的情況，製造商們開始推出採用新型陰極之電池，甚至在某些情況下更採用新型陽極。不過，這些新型材質雖提高電池的容量，卻同時改變了電池的充電和放電電壓範圍，它們為設備設計者帶來了一些新的挑戰，因為他們總是錙銖必較地用盡方法，希望充分利用可用電壓範圍(和能量)。
一直到2004年，電池製造商仍持續生產18650圓柱型鋰離子電池，不過電池容量已高達2.6Ah。這些電池與前幾代電池一樣，仍然採用鋰-鈷氧化物陰極和石墨陽極，其容量的提升，是透過加入更多活性材質實現的，在這個過程中，電池的尺寸並未改變。達到這麼高的容量確實可喜，不過這卻是以13年時間才實現的。下一代的電池則在2005年初推出，容量已達到2.8Ah，3Ah容量的電池近期便可能上市。在電極採用新型化學材質的電池方面，Matsushita公司開發了一種採用新型陰極材質的電池，這種電池沒有採用傳統的鋰-鈷氧化物陰極，而是採用鎳-鈷-鋁氧化物材料。這種新型陰極材料實現了更高的電池容量，而且不會影響充電電壓範圍，據稱還擁有卓越的儲存特性。
另一家日本電池製造商Sony，在2005年第一季推出了Nexelion系列混合型鋰離子電池，這種電池的陰極和陽極都採用了新材質。Nexelion電池用無定形錫陽極取代石墨陽極，與傳統鋰離子電池相比，每單位體積的儲存容量提高了50%。此外，Nexelion電池還改善了低溫時的充放電效能，並縮短了充電時間。不過，與放電電壓範圍為4.2V至3.0V的現有鋰離子電池不同的是，Nexelion電池之放電，係從4.2V降至低如2.5V。
微型硬碟
在過去兩三年間，一般由電池供電的手持產品，所使用的硬碟磁盤直徑皆小於兩英吋。例如，Toshiba公司容量為30GB的驅動器採用單個磁盤，瓷盤直徑為1.8英吋；Hitachi公司容量為4GB的微型驅動器也採用單個磁盤，磁盤直徑僅為1英吋。不過，這兩種磁碟機在一般工作模式下均需約300mA/3.3V的電流和電壓，而在磁盤旋轉時，峰值電流可高達1.2A。但是，最近推出的直徑為1英吋(及以下)的硬碟驅動器，在存儲容量和功耗方面都有長足進步。例如，1英吋單磁盤硬碟可提供20GB的儲存容量，而且在一般工作模式下，在電壓為3.3V時僅需300mA的電流。此外，在磁盤啟動旋轉時，僅需500mA的峰值電流，上述優點，使此類硬碟非常適合在由鋰離子電池供電的可攜式產品中，作為主要的儲存媒體。
升降壓轉換器
常見於DC/DC轉換器的一個問題，是在輸入電壓範圍較廣的情況下產生一個位於此範圍內的穩定輸出電壓。為了更清楚地了解這個問題，我們可以從某些日常應用情況來進行觀察，請看採用3.3V電源端、由單顆鋰離子電池供電的媒體播放器。採用傳統的鋰-鈷氧化物陰極電池，意味著放電過程是從4.2V至3.0V。但是，該系統的電源端要求固定3.3V輸出，因此，輸出電壓有時高於、有時低於、甚至有時將等於鋰離子電池的輸入電壓。
解決這個問題的傳統方法，是採用單端初級電感轉換器(SEPIC)、或採用降壓/升壓轉換器。這些轉換器無論其輸入電壓高於、低於或等於輸出電壓，都能產生固定輸出電壓。不過在採用SEPIC轉換器時則存在較大的缺點：
* 由於需要多個電感或笨重的變壓器，因此設計複雜性高；
* 在工作模式轉變時，難以掌握控制迴路；
* 解決方案接腳佔位大，而且高度高；
* 轉換效率低，通常在75%左右至80%多一點；
* 電源輸出位準較高時，可能產生過熱問題。
一種更有效的方法，是採用單一電感器轉換器，此類轉換器通過控制 4組內部開關以實現降壓、升壓和100%工作週期模式。這種4組開關升降壓轉換器的優點，包含設計簡易、具較高的電源密度，並且由於具有同步驅動能力，所以還能以高效率工作。
3個市場驅動因素的統合
可攜式媒體播放器(PMP)製造商正面臨著越來越大的壓力，主要是必須在外型尺寸已經受限的產品中加入更多功能，同時，還要提高產品的續航力。在 PMP中採用硬碟的一個關鍵推動因素，是需要大容量和易讀/可寫的緊密型儲存系統。PMP通常可以用AC適配器、通用串列匯流排(USB)纜線或鋰離子電池供電。
大多數可攜式媒體播放器將採用磁盤直徑為 1英吋或小於1英吋的硬碟。磁盤直徑僅為1英吋的單盤20GB微型硬碟已經過實用驗證，並已供貨，碟盤直徑為0.8英吋的硬碟可能於近日上市。1英吋的磁碟機在一般工作情況下，僅需 300mA/3.3V的電流和電壓。不過，在磁盤旋轉時，峰值電流需求可能高達 500mA。將來的0.8英吋硬碟的標稱電流會較低，而且峰值電流低於400mA。如果PMP中鋰離子電池的陰極採用的是較新型的化學材質，則其放電電壓範圍將為4.2V至2.5V。從如此寬廣的放電電壓範圍設計DC-DC轉換器，並使轉換器提供固定的3.3V輸出，將是相當具有挑戰性的任務。
在硬碟旋轉時提供3.3V/500mA的電壓和電流
就特定配置而言，顯而易見的是若要最佳化電池續航力，可攜式媒體播放器的設計師們擁有多種選擇。多功能ASSP和VLDO穩壓器結合，可以提供實現最佳系統效能所需的電壓和功率，同時可確保在一般工作模式下將電池功耗降至最低。
不過，ASSP也許不能完全利用新陰極化學材料鋰離子電池的能量密度，如 Sony的Nexelion系列電池。原因是，一旦電池電壓低於所需的3.3V輸出位準，ASSP將無法將電池電壓提高到所需的輸出位準。因為Nexelion系列電池的電壓範圍為4.2V至2.5V，所以將導致未被利用的電池能量超過30%。在這種情況下，一種更簡單的基本構件方法，成為很好的替代方案，其可在較新型鋰離子電池的自然放電週期中，為硬碟提供必需的功率。例如，單晶片同步升降壓轉換器無論其輸入電壓高於、等於還是低於輸出電壓，都能提供固定的 3.3V輸出，因此是一種理想的解決方案。為滿足此特定需求，凌力爾特公司最近已推出了新的升降壓轉換器LTC3532。
LTC3532是一款高效率、固定頻率、升降壓DC/DC轉換器，它可以透過單一電感穩壓輸出電壓，使其高於、低於或等於輸入電源電壓。其輸入電壓範圍為 2.4V至5.5V，輸出電壓範圍為2.4V至5.25V。LTC3532的峰值輸出電流能力在輸出電壓為3.3V時高達500mA。該元件所採用的架構，允許其在降壓、通過、以及升壓等各種工作模式下均能提供連續輸送功能。這使LTC3532非常適用在為單顆鋰離子、多顆鹼性或鎳氫電池供電之應用延長電池續航力，在這種應用情況下，輸入電壓將隨著電池放電下降。下圖是完整的LTC3532原理圖。
在一個由單顆鋰離子電池供電的可攜式媒體播放器中，1英吋微型硬碟驅動器在300mA標稱電流時需要固定的3.3V電壓，峰值電流為500mA。Nexelion系列電池的輸出電壓變化範圍為4.2V至2.5V。在電池電壓從4.2V下降到標稱值3.3V期間，LTC3532工作於降壓模式。在3.3V時，LTC3532將切換至通過模式，電壓100%通過。在電池電壓降至低於3.3V並繼續下降至2.5V期間，LTC3532將以升壓模式工作。與傳統降壓轉換器相比，採用LTC3532可將電池的續航力延長30%之多。
最後，LTC3532在固定頻率、同步架構中整合了兩個0.36Ω N通道MOSFET和兩個0.42Ω P通道MOSFET，以實現高達95%的效率。高達2MHz的開關頻率可以外部定時電阻設定，振盪器可以與外部時脈同步。LTC3532的手動或可設定的自動Burst Mode工作，能讓內部MOSFET根據負載需求進行間斷式工作，並將靜態電流降至35uA。
以採用微型硬碟(HDD)之電池供電手持產品做為主要儲存媒體的產品，近期可能發生一場“完美風暴”。目前，有3種市場驅動因素正匯聚，並可能在這些可攜式產品的電池續航力上產生極大的突破。這類可攜式產品，包括可攜式播放器(PMP)、MP3播放器、數位相機、數位錄影機(DVR)、智慧型手機與GPS系統等。
第一個市場驅動因素，是新陰極化學材料鋰離子(Li-Ion)電池的出現，這類電池不僅提高容量，更擴大工作電壓範圍。第二個驅動因素，是最近推出的微型硬碟，其直徑小於1英吋，儲存容量卻高達20GB。最後一個驅動因素，則是高整合度、低電流、升降壓轉換器的問世，這種轉換器的輸入電壓可高於、低於或等於輸出電壓，轉換效率高，峰值電流能力足以在微型硬碟驅動器旋轉時為其供電。
提升鋰離子電池效能
鋰離子電池最流行的形狀之一是18650圓柱型，這種電池最先於90年代早期首次推出。當時18650鋰離子電池的容量僅為960mAh。受當時採用的電極系統的限制，電池製造商無法提高電池容量。面對陰極和陽極材料限制電池容量的情況，製造商們開始推出採用新型陰極之電池，甚至在某些情況下更採用新型陽極。不過，這些新型材質雖提高電池的容量，卻同時改變了電池的充電和放電電壓範圍，它們為設備設計者帶來了一些新的挑戰，因為他們總是錙銖必較地用盡方法，希望充分利用可用電壓範圍(和能量)。
一直到2004年，電池製造商仍持續生產18650圓柱型鋰離子電池，不過電池容量已高達2.6Ah。這些電池與前幾代電池一樣，仍然採用鋰-鈷氧化物陰極和石墨陽極，其容量的提升，是透過加入更多活性材質實現的，在這個過程中，電池的尺寸並未改變。達到這麼高的容量確實可喜，不過這卻是以13年時間才實現的。下一代的電池則在2005年初推出，容量已達到2.8Ah，3Ah容量的電池近期便可能上市。在電極採用新型化學材質的電池方面，Matsushita公司開發了一種採用新型陰極材質的電池，這種電池沒有採用傳統的鋰-鈷氧化物陰極，而是採用鎳-鈷-鋁氧化物材料。這種新型陰極材料實現了更高的電池容量，而且不會影響充電電壓範圍，據稱還擁有卓越的儲存特性。
另一家日本電池製造商Sony，在2005年第一季推出了Nexelion系列混合型鋰離子電池，這種電池的陰極和陽極都採用了新材質。Nexelion電池用無定形錫陽極取代石墨陽極，與傳統鋰離子電池相比，每單位體積的儲存容量提高了50%。此外，Nexelion電池還改善了低溫時的充放電效能，並縮短了充電時間。不過，與放電電壓範圍為4.2V至3.0V的現有鋰離子電池不同的是，Nexelion電池之放電，係從4.2V降至低如2.5V。
微型硬碟
在過去兩三年間，一般由電池供電的手持產品，所使用的硬碟磁盤直徑皆小於兩英吋。例如，Toshiba公司容量為30GB的驅動器採用單個磁盤，瓷盤直徑為1.8英吋；Hitachi公司容量為4GB的微型驅動器也採用單個磁盤，磁盤直徑僅為1英吋。不過，這兩種磁碟機在一般工作模式下均需約300mA/3.3V的電流和電壓，而在磁盤旋轉時，峰值電流可高達1.2A。但是，最近推出的直徑為1英吋(及以下)的硬碟驅動器，在存儲容量和功耗方面都有長足進步。例如，1英吋單磁盤硬碟可提供20GB的儲存容量，而且在一般工作模式下，在電壓為3.3V時僅需300mA的電流。此外，在磁盤啟動旋轉時，僅需500mA的峰值電流，上述優點，使此類硬碟非常適合在由鋰離子電池供電的可攜式產品中，作為主要的儲存媒體。
升降壓轉換器
常見於DC/DC轉換器的一個問題，是在輸入電壓範圍較廣的情況下產生一個位於此範圍內的穩定輸出電壓。為了更清楚地了解這個問題，我們可以從某些日常應用情況來進行觀察，請看採用3.3V電源端、由單顆鋰離子電池供電的媒體播放器。採用傳統的鋰-鈷氧化物陰極電池，意味著放電過程是從4.2V至3.0V。但是，該系統的電源端要求固定3.3V輸出，因此，輸出電壓有時高於、有時低於、甚至有時將等於鋰離子電池的輸入電壓。
解決這個問題的傳統方法，是採用單端初級電感轉換器(SEPIC)、或採用降壓/升壓轉換器。這些轉換器無論其輸入電壓高於、低於或等於輸出電壓，都能產生固定輸出電壓。不過在採用SEPIC轉換器時則存在較大的缺點：
* 由於需要多個電感或笨重的變壓器，因此設計複雜性高；
* 在工作模式轉變時，難以掌握控制迴路；
* 解決方案接腳佔位大，而且高度高；
* 轉換效率低，通常在75%左右至80%多一點；
* 電源輸出位準較高時，可能產生過熱問題。
一種更有效的方法，是採用單一電感器轉換器，此類轉換器通過控制 4組內部開關以實現降壓、升壓和100%工作週期模式。這種4組開關升降壓轉換器的優點，包含設計簡易、具較高的電源密度，並且由於具有同步驅動能力，所以還能以高效率工作。
3個市場驅動因素的統合
可攜式媒體播放器(PMP)製造商正面臨著越來越大的壓力，主要是必須在外型尺寸已經受限的產品中加入更多功能，同時，還要提高產品的續航力。在 PMP中採用硬碟的一個關鍵推動因素，是需要大容量和易讀/可寫的緊密型儲存系統。PMP通常可以用AC適配器、通用串列匯流排(USB)纜線或鋰離子電池供電。
大多數可攜式媒體播放器將採用磁盤直徑為 1英吋或小於1英吋的硬碟。磁盤直徑僅為1英吋的單盤20GB微型硬碟已經過實用驗證，並已供貨，碟盤直徑為0.8英吋的硬碟可能於近日上市。1英吋的磁碟機在一般工作情況下，僅需 300mA/3.3V的電流和電壓。不過，在磁盤旋轉時，峰值電流需求可能高達 500mA。將來的0.8英吋硬碟的標稱電流會較低，而且峰值電流低於400mA。如果PMP中鋰離子電池的陰極採用的是較新型的化學材質，則其放電電壓範圍將為4.2V至2.5V。從如此寬廣的放電電壓範圍設計DC-DC轉換器，並使轉換器提供固定的3.3V輸出，將是相當具有挑戰性的任務。
在硬碟旋轉時提供3.3V/500mA的電壓和電流
就特定配置而言，顯而易見的是若要最佳化電池續航力，可攜式媒體播放器的設計師們擁有多種選擇。多功能ASSP和VLDO穩壓器結合，可以提供實現最佳系統效能所需的電壓和功率，同時可確保在一般工作模式下將電池功耗降至最低。
不過，ASSP也許不能完全利用新陰極化學材料鋰離子電池的能量密度，如 Sony的Nexelion系列電池。原因是，一旦電池電壓低於所需的3.3V輸出位準，ASSP將無法將電池電壓提高到所需的輸出位準。因為Nexelion系列電池的電壓範圍為4.2V至2.5V，所以將導致未被利用的電池能量超過30%。在這種情況下，一種更簡單的基本構件方法，成為很好的替代方案，其可在較新型鋰離子電池的自然放電週期中，為硬碟提供必需的功率。例如，單晶片同步升降壓轉換器無論其輸入電壓高於、等於還是低於輸出電壓，都能提供固定的 3.3V輸出，因此是一種理想的解決方案。為滿足此特定需求，凌力爾特公司最近已推出了新的升降壓轉換器LTC3532。
LTC3532是一款高效率、固定頻率、升降壓DC/DC轉換器，它可以透過單一電感穩壓輸出電壓，使其高於、低於或等於輸入電源電壓。其輸入電壓範圍為 2.4V至5.5V，輸出電壓範圍為2.4V至5.25V。LTC3532的峰值輸出電流能力在輸出電壓為3.3V時高達500mA。該元件所採用的架構，允許其在降壓、通過、以及升壓等各種工作模式下均能提供連續輸送功能。這使LTC3532非常適用在為單顆鋰離子、多顆鹼性或鎳氫電池供電之應用延長電池續航力，在這種應用情況下，輸入電壓將隨著電池放電下降。下圖是完整的LTC3532原理圖。
在一個由單顆鋰離子電池供電的可攜式媒體播放器中，1英吋微型硬碟驅動器在300mA標稱電流時需要固定的3.3V電壓，峰值電流為500mA。Nexelion系列電池的輸出電壓變化範圍為4.2V至2.5V。在電池電壓從4.2V下降到標稱值3.3V期間，LTC3532工作於降壓模式。在3.3V時，LTC3532將切換至通過模式，電壓100%通過。在電池電壓降至低於3.3V並繼續下降至2.5V期間，LTC3532將以升壓模式工作。與傳統降壓轉換器相比，採用LTC3532可將電池的續航力延長30%之多。
最後，LTC3532在固定頻率、同步架構中整合了兩個0.36Ω N通道MOSFET和兩個0.42Ω P通道MOSFET，以實現高達95%的效率。高達2MHz的開關頻率可以外部定時電阻設定，振盪器可以與外部時脈同步。LTC3532的手動或可設定的自動Burst Mode工作，能讓內部MOSFET根據負載需求進行間斷式工作，並將靜態電流降至35uA。
