完整兩節(jié)AA電池/USB電源管理器

引言

對于消費(fèi)類手持式設(shè)備而言,歷史悠久的兩節(jié)AA(堿性或鎳氫電池)電源便是其最常用的電池解決方案,尤其是在GPS導(dǎo)航裝置、數(shù)碼相機(jī)和MP3播放機(jī)中。AA電池購買方便、成本較低、而且具有高功率密度。在這些便攜式設(shè)備中,有許多都采用了插入式交流適配器,并提供了一根USB總線(用于數(shù)據(jù)傳輸)作為電池電源的補(bǔ)充。USB總線還可被用來供電。問題是如何在這三種截然不同的電源(兩節(jié)AA電池、交流適配器和USB)之間實(shí)現(xiàn)無縫切換。LTC3456便是一款適合的解決方案。

LTC3456是一款完整的系統(tǒng)電源IC,可實(shí)現(xiàn)AC交流適配器、USB和兩節(jié)AA電池之間功率通量的無縫管理,并符合USB電源標(biāo)準(zhǔn),所有這些功能均集成在一個4mm x 4mm QFN封裝之內(nèi)(圖1)。該器件生成了兩個單獨(dú)的電源軌：一個3.3V(固定)主電源和一個1.8V(可調(diào))內(nèi)核電源。此外,LTC3456還包含一個全功能USB電源管理器、一個用于給存儲插件供電的熱插拔(Hot Swap)輸出和一個適合用作低電池電量比較器或LDO控制器的獨(dú)立增益部件。該器件還生成了一個始終處于運(yùn)行狀態(tài)的VMAX輸出,該輸出適合于為諸如實(shí)時時鐘等即使在停機(jī)期間也必需處于工作狀態(tài)的關(guān)鍵部件輸送功率。

圖1 LTC3456是一款采用微型4mm x 4mm封裝的完整系統(tǒng)電源管理IC

圖2 基于LTC3456的完整電源解決方案,包括一個1.8V輸出(用于處理器內(nèi)核)、一個3.3V輸出(用于I/O)、一個3.3V熱插拔電源(用于存儲插件)和一個VMAX輸出(用于RTC)

LTC3456

LTC3456包含四個工作效率高達(dá)92%的高效1MHz固定頻率開關(guān)穩(wěn)壓器。圖2示出了LTC3456的一種典型應(yīng)用。便攜式應(yīng)用中所使用的大多數(shù)處理器都需要雙電源電壓。這些電壓可以是3.3V(用于I/O電路)和1.5V或1.8V(用于處理器內(nèi)核)。此外,處理器還有可能要求電源以一種特定的順序啟動,以防止發(fā)生處理器閉鎖或錯誤起動。通常,內(nèi)核電源必須在I/O電源之前上升。

LTC3456具有用于內(nèi)核和主輸出的內(nèi)置電源排序功能。上電時,VINT輸出(一個固定的3.3V電源)率先執(zhí)行上電操作。它負(fù)責(zé)向大部分內(nèi)部電路供電。應(yīng)對該輸出端上的外部負(fù)載大小加以限制?？烧{(diào)范圍為0.8V至1.8V的內(nèi)核輸出隨后上升,接著是VMAIN輸出。VMAIN輸出(一個固定的3.3V電源)在內(nèi)核輸出進(jìn)入調(diào)節(jié)狀態(tài)之后延遲0.8ms(典型值)上電。VMAIN輸出由VINT輸出通過一個內(nèi)部0.4Ω(典型值)PMOS開關(guān)而產(chǎn)生,并可被用來向I/O電路供電。0.8ms延遲為處理器在外圍電路上電之前完成系統(tǒng)時鐘的穩(wěn)定和內(nèi)部寄存器的裝載提供了充足的時間。

LTC3456產(chǎn)生了一個可調(diào)范圍為0.8V至1.8V的內(nèi)核輸出,該輸出適于為新型低電壓處理器(ARM等)供電。LTC3456控制電路允許內(nèi)核輸出的工作占空比達(dá)到100%。當(dāng)內(nèi)核輸出由電池來供電時,它提供了低壓降操作,從而延長了電池的使用壽命。當(dāng)由電池供電時,主轉(zhuǎn)換器和內(nèi)核轉(zhuǎn)換器均提供了突發(fā)模式操作(可利用MODE引腳來選擇),因而在輕負(fù)載條件下實(shí)現(xiàn)了高效率。在采用電池供電的情況下,內(nèi)核轉(zhuǎn)換器具有超過92%的效率。當(dāng)由USB/墻上電源來供電時,突發(fā)模式操作被停用。當(dāng)由USB來供電時,主轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)了高達(dá)90%的效率。[!--empirenews.page--]

LTC3456具有一個適于為閃存卡供電的內(nèi)置熱插拔輸出。該熱插拔輸出具有短路和反向電壓隔離功能。它允許在系統(tǒng)上進(jìn)行存儲插件的帶電插拔。它具有一個適合向閃存卡供電的120mA(典型值)內(nèi)置電流限值。

LTC3456提供了針對主輸出和內(nèi)核輸出的短路保護(hù)功能。它還為所有的輸出(VMAX輸出除外)提供了輸出斷接功能。在停機(jī)模式中,內(nèi)核輸出、主輸出和熱插拔輸出均被放電至地。在VBATT、VINT、VEXT和USB電壓中,VMAX輸出是最高的。該輸出可被用來提供1mA的最大輸出電流。即使在IC處于停機(jī)模式的情況下,VMAX輸出也將保持運(yùn)行狀態(tài),因而適于向?qū)崟r時鐘等關(guān)鍵系統(tǒng)部件供電。

表1 LTC3456 PowerPath工作模式和特點(diǎn)概要

PowerPath控制

LTC3456包含一個專有的PowerPath控制電路,可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)電源之間的無縫切換(從兩節(jié)AA電池至USB/墻上電源,反之亦然)。圖3示出了內(nèi)部電源通路的簡化方框圖。AC適配器和USB總線通過VEXT引腳向開關(guān)穩(wěn)壓器供電。LTC3456包含一個全功能USB電源管理器,以利用USBHP和SUSPEND引腳的狀態(tài)來控制來自USB引腳的功率通量。流經(jīng)USB引腳的電流被精確地限制為100mA或500mA(視USBHP引腳的狀態(tài)而定)。通過把SUSPEND引腳拉至高電平可停用所有的USB功能。

當(dāng)必須提升兩節(jié)AA電池電壓(1.8V至3.2V)以生成3.3V輸出、以及必須對USB/墻上電源(4V至5.5V)進(jìn)行降壓操作以生成相同電壓時,DC-DC轉(zhuǎn)換將是一項特別具有挑戰(zhàn)性的工作。LTC3456通過BOOST和BUCK2轉(zhuǎn)換器完成了這項任務(wù)。這是生成3.3V電源軌最為有效的方式。當(dāng)從電池或USB/交流適配器來生成3.3V輸出時,LTC3456實(shí)現(xiàn)了高于90%的效率。內(nèi)核輸出(1.8V)是通過BUCK1(由USB/墻上電源來供電)和BUCK3(由電池來供電)轉(zhuǎn)換器來生成的。LTC3456的獨(dú)特拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可利用單個電感器來生成1.8V電源軌,從而節(jié)省了成本和空間。當(dāng)從電池來生成1.8V輸出時,它實(shí)現(xiàn)了92%以上的效率。表1列出了LTC3456不同的工作模式。

便攜式設(shè)備需要實(shí)現(xiàn)從電池電源至USB或墻上電源的無縫切換(反之亦然)以確保平穩(wěn)的系統(tǒng)運(yùn)作。例如,一位用戶正在一個連接了USB電纜的便攜式MP3播放機(jī)上播放音樂。如果USB電纜被猛然從設(shè)備上拉脫,則用戶應(yīng)能夠繼續(xù)聆聽音樂,而不會覺察到任何中斷現(xiàn)象。LTC3456通過實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)電源的無縫切換而使這種愿望成為可能。當(dāng)SUSPEND引腳被從低電平拉至高電平時,USB電源不可用。主輸出和內(nèi)核輸出在切換時均呈現(xiàn)出小于?%的總偏差,從而實(shí)現(xiàn)了至處理器內(nèi)核和外圍電路的無縫切換。[!--empirenews.page--]

與微處理器的簡易連接

LTC3456簡化了與微處理器的連接。PWRON、PWRKEY、PBSTAT和/RESET引腳向處理器提供了全部所需的系統(tǒng)信息,并簡化了電源排序。PWRON、PWRKEY和PBSTAT鍵控使IC的有序上電和停機(jī)任務(wù)得以簡化。LTC3456的數(shù)據(jù)表包含時序圖,并提供了與其操作有關(guān)的詳細(xì)信息。

LTC3456還具有上電復(fù)位電路(通過 /RESET引腳來使用),該電路在上電和停機(jī)期間處于運(yùn)行狀態(tài)。為在上電時把處理器保持在其復(fù)位狀態(tài),該上電復(fù)位電路是必需的,而且,在所有的系統(tǒng)電源實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定之前,它必須阻止處理器起動操作。LTC3456的內(nèi)置上電復(fù)位電路負(fù)責(zé)監(jiān)視VINT(3.3V)和內(nèi)核(0.8V)電壓,并通過 /RESET引腳與處理器相連。在初始上電期間,/RESET引腳被保持于低電平。當(dāng)主輸出和內(nèi)核輸出均進(jìn)入調(diào)節(jié)狀態(tài)時,一個復(fù)位延遲定時器將起動。在 /RESET被釋放和處理器被允許退出復(fù)位狀態(tài)并開始操作之前,提供了一個完整的262ms超時。這262ms超時延遲為處理器對內(nèi)部寄存器/RAM進(jìn)行初始化提供了充足的時間。在斷電期間,/RESET 引腳被再次拉至低電平。這將防止微處理器進(jìn)入任何隨機(jī)操作模式。

當(dāng)采用電池或外部電源來供電時,/RESET電路的工作情況相似。在VCORE進(jìn)入調(diào)節(jié)狀態(tài)之后,/RESET引腳將在一個262ms的延遲時間里保持低電平。當(dāng)IC關(guān)斷時,VMAIN和VCORE輸出均與輸入電源斷接,并被放電至地。這將防止輸出被固定于一個不確定的邏輯電平狀態(tài)而對微處理器的運(yùn)作產(chǎn)生不利的影響。它還確保輸出在上電期間以一種可預(yù)測的方式上升。

圖3 用于說明內(nèi)部PowerPath的LTC3456簡化方框圖

圖4 一種用于GPS導(dǎo)航系統(tǒng)、采用兩節(jié)AA電池來供電的完整電源。注意,獨(dú)立增益部件(AIN和AO引腳)被配置為一個LDO控制器,以生成一個2.8V輔助輸出

電壓監(jiān)視

LTC3456具有一個可被用于低電池電量檢測的片內(nèi)增益部件,低電池電量跳變點(diǎn)由布設(shè)在AIN引腳上的兩個電阻器(圖2)來設(shè)定。AIN引腳的標(biāo)稱電壓為0.8V。AO引腳是一個漏極開路邏輯輸出,用于在AIN引腳電壓降至0.8V以下時吸收電流。也可通過增益部件的配置來驅(qū)動一個外部PNP或PMOS晶體管,以生成一個輔助電壓。

此外,LTC3456還具有板載電壓比較器電路,以利用 /EXT_PWR引腳上的一個狀態(tài)輸出來檢測USB或墻上電源的接入。/EXT_PWR引腳的漏極開路邏輯輸出能夠吸收高達(dá)5mA的電流,故適合于驅(qū)動一個外部LED。該板載電壓檢測器連續(xù)監(jiān)視USB電壓和交流適配器電壓的狀態(tài)(通過WALLFB引腳)。當(dāng)USB或墻上電源可用并處于調(diào)節(jié)狀態(tài)時,/EXT_PWR引腳被拉至低電平。

便攜式GPS導(dǎo)航裝置電源

當(dāng)今的便攜式GPS導(dǎo)航裝置采用兩節(jié)AA電池或一個交流適配器作為工作電源,并備有一根USB總線(用于數(shù)據(jù)傳輸)。對電源而言,長電池壽命和小系統(tǒng)尺寸是關(guān)鍵要求。GPS導(dǎo)航裝置中所使用的微處理器通常需要至少兩種不同的電壓源：一般是3.3V(用于I/O電路)和1.5V或1.8V(用于處理器內(nèi)核)。這種導(dǎo)航裝置可能還需要一個2.8V的輔助電源電壓,用于給LCD顯示控制器IC施加偏壓。

圖4示出了一種用于便攜式GPS導(dǎo)航裝置的完整、緊湊而高效的電源。VMAIN(固定3.3V)負(fù)責(zé)向I/O電路供電。用于處理器內(nèi)核的電源VCORE被設(shè)定為1.8V,并可通過改變反饋電阻器阻值比來調(diào)節(jié)。3.3V熱插拔輸出負(fù)責(zé)向閃存卡供電。LTC3456包含一個獨(dú)立增益部件(AIN和AO引腳),可被用作一個低電池電量指示器或一個LDO控制器。圖4中的電路示出了被用作一個LDO的增益部件,并由一個外部PNP來從主輸出生成一個2.8V的輔助輸出電壓。該2.8V輔助電源被用于給一個LCD控制器IC供電。LTC3456的VMAX輸出即使在停機(jī)期間仍然處于工作狀態(tài),并被用來向一個實(shí)時時鐘供電。

結(jié)語

LTC3456是一款完整的系統(tǒng)電源管理IC,它實(shí)現(xiàn)了對一個AC適配器、USB電纜和兩節(jié)AA電池電源之間的功率通量的無縫管理。包括一個集成化USB電源管理器、高效DC-DC轉(zhuǎn)換器、一個熱插拔控制器和一個低電池電量指示器在內(nèi)的眾多部件均被集成在一個4mm x 4mm QFN封裝之內(nèi)。外部元件的數(shù)目和總系統(tǒng)成本得到了最大限度地削減。簡單性、設(shè)計靈活性、高集成度和小外形尺寸使得LTC3456成為許多便攜式USB設(shè)備供電方案的理想選擇。