新一代ASSP優(yōu)化手持設(shè)備中的電源管理

去年，消費(fèi)者購買了十億多部手機(jī)，2.2億臺筆記本電腦，1.4億只MP3，9千萬數(shù)碼相機(jī)(DSC)以及1千萬套個(gè)人導(dǎo)航設(shè)備(PND)。依據(jù)內(nèi)部系統(tǒng)架構(gòu)來說，所有的這些設(shè)備都有一定的共性。首先，它們都是由電池供電的，通常都是利用某種鋰離子電池(Li-Ion)作為主電源，而利用另一個(gè)輸入電源作為備份或者為了充電。其次，它們都內(nèi)置了一定的存儲設(shè)備，通常包括某種ROM、RAM或NAND閃存，而在許多時(shí)候還有一個(gè)硬盤(HDD)或SDIO卡。根據(jù)技術(shù)調(diào)查機(jī)構(gòu)IDC的最新研究，去年全世界共生產(chǎn)了1610億GB的數(shù)字信息。這相當(dāng)于需要用20億臺iPod來存儲這些信息。

但是，上面沒有提及的另一類產(chǎn)品，就是將上述產(chǎn)品功能中的兩種甚至三種組合到一起的產(chǎn)品，如便攜式媒體播放器(PMP)或數(shù)字媒體廣播(DMB)產(chǎn)品。這些產(chǎn)品也利用鋰離子電池作為主電源，并具有很大的存儲容量。它們正在成為消費(fèi)電子領(lǐng)域中的重要播放設(shè)備。

PMP或DMB產(chǎn)品的一個(gè)關(guān)鍵優(yōu)點(diǎn)是他們都能播放MP3和MP4格式。因此，利用一臺設(shè)備就可以欣賞來自DVD-CD或者從網(wǎng)站上下載的音樂和電影。典型地，設(shè)備的存儲媒質(zhì)可以存儲超過150小時(shí)的視頻或者1200小時(shí)的音樂。但是，和其他任何依賴電池供電的手持設(shè)備相類似，這些PMP設(shè)備的制造商面臨前所未有的壓力，他們必須將諸多的功能集成到體積和外形受限的結(jié)構(gòu)里，同時(shí)還要提供更長的工作時(shí)間。

由于絕大多數(shù)PMP都具備視頻播放和MP3播放的功能，內(nèi)部電路要求多個(gè)功率電平不等的低電壓軌。其原因是很清楚的，因?yàn)榇蠖鄶?shù)數(shù)字大規(guī)模集成電路的工作電壓為1.5V或更低。同時(shí)，存儲器和I/O所需電壓為2.5～3.3V。于是，采用多負(fù)載點(diǎn)(POL)DC/DC變換器對來自鋰離子電池的電壓進(jìn)行直接變換是不現(xiàn)實(shí)的，系統(tǒng)設(shè)計(jì)師必須采用更多的集成方案。

絕大多數(shù)電池供電的手持設(shè)備都利用一塊定制集成電路(ASIC)來處理電池充電、功率通道控制、提供多路電源電壓，以及保護(hù)功能(例如實(shí)際的輸出開路和精密的USB的U2000系列傳感器無需使用功率計(jì)即可進(jìn)行功率測量 USB 3.0向“火線”開火！電流限制)等。采用這種方案的目的很明確，就是可以用一枚器件來滿足所有的電源管理方面的需求。不過，這種方案也存在一些缺點(diǎn)。首先，ASIC是采用特定的晶圓制造工藝來制造的，要實(shí)現(xiàn)每個(gè)功能的最佳性能非常困難。其次，對于短動態(tài)設(shè)計(jì)周期的設(shè)計(jì)變得更為重要的是ASIC的定義和研發(fā)所導(dǎo)致的交貨周期過長。一般來說，一塊電源管理ASIC從概念到交貨需要的時(shí)間在一年半以上。而在此周期內(nèi)，一種特定的產(chǎn)品設(shè)計(jì)可能已經(jīng)更改了三次或更多。

用于電源管理的應(yīng)用定制標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品

絕大多數(shù)的電池供電的手持設(shè)備通?？梢杂靡粋€(gè)AC適配器，一個(gè)通用串行總線(USB)，或者一塊鋰/聚合物電池來供電，但是，如何實(shí)現(xiàn)這些電源間的電源通道控制是一個(gè)很大的技術(shù)挑戰(zhàn)。直到最近，設(shè)計(jì)師還在試圖利用分離的方式，即用一組MOSFET以及運(yùn)算放大器等來實(shí)現(xiàn)這一功能，但他們面臨著很大的問題，如熱插拔和很大的瞬間電流等，這些都會引起很大的系統(tǒng)問題。

在各類電池供電的手持設(shè)備中的功能和性能方面存在一定的共性，這些產(chǎn)品中可以使用應(yīng)用定制標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品(ASSP)，且沒有在單晶圓制造工藝中出現(xiàn)的與IC制造相關(guān)的性能折衷。Linear公司最近開發(fā)出了新一代的這類產(chǎn)品-LTC3555，該產(chǎn)品代表著這類應(yīng)用中的性能和功能上的一個(gè)新水平。

LTC3555無縫地管理交流適配器，USB和鋰離子電池之間的功率流，符合USB標(biāo)準(zhǔn)，所有部分均封裝在一個(gè)4×5mm QFN內(nèi)。似乎這還不足夠，它還帶有一個(gè)全功能的鋰離子/聚合物電池充電器，能夠提供高達(dá)1.2A的充電電流，再加上三個(gè)用來產(chǎn)生絕大多數(shù)USB外設(shè)所需的低電壓軌的高效率同步降壓轉(zhuǎn)換器。此外，LTC3555還提供一個(gè)恒定的25mA的低壓差線性調(diào)節(jié)器來為實(shí)時(shí)時(shí)鐘(RTC)和低功率邏輯電路供電。整個(gè)器件可以通過一個(gè)簡單的I²C接口或簡單的I/O口來控制。

圖1：LTC3555的簡化方框圖和原理圖。

LTC3555的應(yīng)用電路圖如圖1所示，圖中顯示了多功能的實(shí)現(xiàn)原理。DC/DC變換是一個(gè)相對簡單的降壓變換。LTC3555的三個(gè)片上降壓變換器都工作在電流模式控制，效率高達(dá)95%，具有I²C或芯選觸發(fā)突發(fā)模式或自動的觸發(fā)突發(fā)模式。DC/DC變換器的開關(guān)頻率為2.25MHz，允許使用很小的外部電容和電感。這些降壓變換器的連續(xù)輸出電流分別為1A，400mA和400mA，輸出電壓在0.8-3.6V之間可編程。

LTC3555的功率提供方法與現(xiàn)有的電池和電源管理IC不同，實(shí)際上是電荷饋送(charger-fed)系統(tǒng)。在一般的電源管理IC中，外部電源并不直接為負(fù)載供電。而是由AC適配器或USB口為電池充電，然后再為負(fù)載供電。在電池被過度放電或根本就沒有任何電量的情況下，為負(fù)載供電會有一個(gè)延遲。這是因?yàn)殡娔軣o法直接從電池取走，直到電池獲得了所需的最少量的電荷后方可。使用LTC3555后，就可以消除該延遲，只要墻體適配器或USB一插上就可以立即為手持設(shè)備供電。此外，芯片可以取走負(fù)載未用的功率，并用它為電池充電。

這兩個(gè)優(yōu)點(diǎn)(即省去了充電延遲以及同時(shí)充電和為負(fù)載供電)延長了有效的工作時(shí)間，并且在連接到USB時(shí)加速充電。這種電源管理技術(shù)的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是提高了使用效率，只要有AC或USB電源即可。這種情況下，可以省去不需要的變換級(用于電池充電)。

高效率開關(guān)電源通道控制器

與有一個(gè)線性電源通道控制器的上一代產(chǎn)品LTC3455不同，LTC3555有一個(gè)高效率的開關(guān)模式電源通道控制器。專門為USB應(yīng)用而設(shè)計(jì)，LTC3555的電源通道控制器整合了一個(gè)精密平均輸入遞降開關(guān)調(diào)節(jié)器，這樣可以最大限度地利用可用的USB功率。因?yàn)殡娔鼙槐４?，LTC3555允許VOUT上的負(fù)載電流超過USB口吸取的電流，但不超過USB負(fù)載規(guī)范的要求。電源通道開關(guān)調(diào)節(jié)器與電池充電器相互通信以確保輸入電流不會超過USB的指標(biāo)限制。更進(jìn)一步，從BAT到VOUT之間的理想二極管保證了功率可以始終送到VOUT，即便是沒有足夠的功率或者在VBUS上根本就沒有電源的情況下也是如此。

圖2：LTC3555電源通道方框圖。

當(dāng)VBUS可用時(shí)并且電源通道開關(guān)調(diào)節(jié)器激活時(shí)，就可以通過SW將電源從VBUS送到VOUT(見圖2)。VOUT驅(qū)動外部負(fù)載(圖1中的開關(guān)調(diào)節(jié)器1，2和3)和電池充電器組成的混合負(fù)載。如果混合負(fù)載沒有超過電源通道開關(guān)調(diào)節(jié)器的編程輸入電流限制，VOUT將跟蹤0.3V(電池電壓以上)。通過保持電池充電器上的電壓為低，效率被優(yōu)化，因?yàn)閾p失到線性電池充電器上的功率被減到了最小，其結(jié)果是送到負(fù)載上的可用功率被優(yōu)化。

如果VOUT的混合負(fù)載足夠大，能引起開關(guān)電源達(dá)到編程輸入電流的限制值，電池充電器將充電電流降低所需的量，以滿足外部負(fù)載需求的值。即使電池電流被設(shè)置得超過了允許的USB電流，也不會超過USB規(guī)范，因?yàn)殚_關(guān)調(diào)節(jié)器會始終限制平均輸入電流，以確保不會出現(xiàn)這種情況。進(jìn)一步說，VOUT上的負(fù)載電流始終是優(yōu)先的，只有剩余的功率才被用來對電池充電。

如果電池電壓低于3.3V，或者電池不存在，而且負(fù)載的需求不會引起開關(guān)調(diào)節(jié)器超過USB規(guī)范的要求，VOUT將會降到一個(gè)位于3.6V與電池電壓之間的某個(gè)值上。如果電池不存在，而負(fù)載有超過了可用的USB功率，VOUT將會跌落到地電平。

LTC3555內(nèi)含一個(gè)理想二極管(見圖2)，還有一個(gè)用于一個(gè)可選的外部理想二極管的控制器。該理想二極管控制器始終處于接通狀態(tài)，從而在VOUT低于電池電壓時(shí)將快速響應(yīng)。如果負(fù)載電流增加到超過了開關(guān)調(diào)節(jié)器所允許的功率，將會通過理想二極管從電池吸取功率。此外，如果到VBUS(USB或墻體適配器)的功率被拔掉，則所有的應(yīng)用功率將都經(jīng)過理想二極管由電池提供。從輸入功率到電壓為VOUT的電池功率的轉(zhuǎn)換非?？?，只允許使用一個(gè)3uF的電容器來避免VOUT下降。實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)是可能的，因?yàn)樵摾硐攵O管中包括一個(gè)精密放大器，當(dāng)VOUT上的電壓比電池電壓低大約15mV(VFWD)時(shí)，放大器啟動一個(gè)大功率的片上P溝道MOSFET晶體管。內(nèi)部理想二極管的電阻大約為180mΩ，利用一顆外部電阻，該值可以減小到50mΩ。

很清楚，對于電池供電的手持設(shè)備的設(shè)計(jì)師來說，有許多選項(xiàng)來確保電池壽命對于其特定的應(yīng)用來說是最優(yōu)化的。一個(gè)性能最優(yōu)的、多功能的ASSP能夠提供實(shí)現(xiàn)最佳系統(tǒng)功能所需的電壓或功率電平，同時(shí)確保在正常工作時(shí)電池的漏功率減到最小。