具有開(kāi)關(guān)電源通路管理的下一代電源管理集成電路

背景

    USB 技術(shù)提高了電子產(chǎn)品的便攜性，同時(shí)需要較大的電池容量為更多功能供電。以個(gè)人媒體播放器為例，隨著可下載媒體內(nèi)容的爆炸性增長(zhǎng)，人們想要將 PC 中的數(shù)據(jù)傳送到便攜式手持設(shè)備，USB 使得這種傳送速度更快。用同樣的 USB 端口給設(shè)備充電也很方便。不過(guò)，用 USB 端口給設(shè)備的電池充電時(shí)，在功率上有一些限制。電源通路 (PowerPath) 拓?fù)?strong>集成電路解決了這些問(wèn)題，為最終用戶帶來(lái)了各種益處，例如能夠自主和無(wú)縫地管理各種不同的輸入電源、電池、以及為負(fù)載供電、以最低的熱量快速充電以及實(shí)現(xiàn)“即時(shí)接通”工作。凌力爾特公司提供的 LTC3555 是一種電源管理集成電路 (PMIC)，片上有基于開(kāi)關(guān)模式的電源通路管理器、鋰離子電池充電器、3 個(gè)降壓型穩(wěn)壓器、以及 LDO。該器件具有很多高性能功能，有益于最終產(chǎn)品，其微型扁平 QFN 封裝以及極少的外部組件可為手持式電子產(chǎn)品組成簡(jiǎn)單、緊湊和經(jīng)濟(jì)的解決方案。

主要的設(shè)計(jì)難題

    在很多情況下，能夠用 USB 端口給電池充電為用戶提供了更大的方便。但是，USB 規(guī)范對(duì) USB 電流有一定限制。一個(gè)基于 USB 的電池充電器必須盡可能高效率地從 USB 端口抽取盡可能多的功率，以滿足今天的電源密集型應(yīng)用在空間和熱量方面的嚴(yán)格限制。

    在產(chǎn)品內(nèi)管理電源通路是另一個(gè)問(wèn)題。例如，今天很多由電池供電的便攜式電子產(chǎn)品可以用交流適配器、汽車適配器、USB 端口或鋰離子/聚合物電池供電。不過(guò)，自主管理這些電源、負(fù)載和電池之間的電源通路帶來(lái)了巨大的技術(shù)挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)上，設(shè)計(jì)師們一直嘗試用少量 MOSFET、運(yùn)算放大器和其它分立組件實(shí)現(xiàn)這一功能，但是一直面臨著熱插拔、大浪涌電流等巨大的問(wèn)題，這些問(wèn)題可能引起嚴(yán)重的系統(tǒng)可靠性問(wèn)題。直到最近，即使分立的集成電路解決方案也需要幾個(gè)芯片來(lái)實(shí)現(xiàn)一個(gè)實(shí)用的解決方案。

    便攜式消費(fèi)類電子產(chǎn)品常常采用鋰離子電池和鋰離子聚合物電池，因?yàn)檫@類電池的能量密度相對(duì)較高 ─ 與使用其它可用化學(xué)材料制成的電池相比，在給定的尺寸和重量限制條件下，它們的容量更大。隨著便攜式手持產(chǎn)品變得越來(lái)越復(fù)雜，它們消耗的功率也更多，因此對(duì)較高容量電池的需求也越來(lái)越大了，對(duì)更先進(jìn)的電池充電器也產(chǎn)生了相應(yīng)的需求。容量較大的電池需要較高的充電電流或者更多的時(shí)間才能充電至滿電量。大多數(shù)消費(fèi)者希望充電時(shí)間較短，因此提高充電電流似乎是明顯可取的，但是提高充電電流帶來(lái)了兩大問(wèn)題。首先，就線性充電器而言，電流增大會(huì)增加功耗，也就是熱量，將典型的實(shí)際功率“最大值”降至 2.1W。其次，根據(jù)主控制器協(xié)商好的模式，充電器必須將從 5V USB 總線吸取的電流限制到 100mA (500mW) 或 500mA (2.5W)。這種對(duì)高效率充電的需求，加之電池充電器集成電路必須實(shí)現(xiàn)高水平的功能集成、以及節(jié)省電路板空間和提高產(chǎn)品可靠性的需求，都給電池供電型電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)師帶來(lái)了壓力。

    總之，系統(tǒng)設(shè)計(jì)師面臨的主要挑戰(zhàn)如下：

·    最大限度地提高從 USB 端口 (可提供 2.5W) 獲取的電流；
　　
·    管理多個(gè)輸入電壓源、電池和負(fù)載之間的電源通路；
　　
·    最大限度地減少熱量；
　　
·   最大限度地提高充電效率；
　　
·    最大限度地減小解決方案占板面積和高度。

    “富有意義地集成”的電源管理集成電路就可簡(jiǎn)單輕松地解決這些問(wèn)題。

    一個(gè)簡(jiǎn)單的解決方案：電源通路控制

    電源通路控制能夠自主和無(wú)縫地管理各種不同輸入源之間的電源通路，如 USB 端口、墻上交流適配器和其他類型的交流適配器以及電池之間的電源通路，并向負(fù)載提供充足的功率。電源通路系統(tǒng)還能實(shí)現(xiàn)“即時(shí)接通”工作，因?yàn)橐幌螂娐饭╇姡虚g電壓就可向系統(tǒng)負(fù)載供電，這允許最終產(chǎn)品插電后立即工作，而不管電池的充電狀態(tài)。一個(gè)具有電源通路控制功能的器件既為該器件負(fù)載供電，又用電源為單節(jié)鋰離子/聚合物電池充電。為了確保一個(gè)滿充電電池在連接 USB 總線時(shí)保持滿電量，集成電路通過(guò) USB 總線直接向負(fù)載輸送功率，而不是從電池抽取功率。一旦電源被去掉，電流就通過(guò)一個(gè)內(nèi)部低損耗理想二極管從電池流向負(fù)載，從而最大限度地降低了壓降和功耗。參見(jiàn)圖 1 以獲得詳細(xì)信息，該圖是一個(gè)簡(jiǎn)化的開(kāi)關(guān)電源通路方框圖。理想二極管的正向壓降遠(yuǎn)低于普通二極管或肖特基二極管的正向壓降，因此最大限度地提高了能量傳送效率，而且反向漏電流也較小。微小的正向壓降減少了功耗和自熱，延長(zhǎng)了電池壽命。

開(kāi)關(guān)電源通路系統(tǒng)

    第一代 USB 充電系統(tǒng)應(yīng)用直接在 USB 端口和電池之間設(shè)置限流的電池充電器，電池直接給系統(tǒng)供電。第二代線性 USB 充電系統(tǒng)在 USB 端口和電池之間產(chǎn)生一個(gè)中間電壓 (電源通路系統(tǒng))。新的第三代 USB 充電系統(tǒng)具有基于開(kāi)關(guān)模式的拓?fù)?。此類電源通路器件從一個(gè)符合 USB 規(guī)格的降壓型開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器產(chǎn)生一個(gè)中間總線電壓，該電壓被調(diào)節(jié)至一個(gè)高于電池電壓的固定電壓，參見(jiàn)圖 1。這種形式的自適應(yīng)輸出控制被凌力爾特公司稱為 Bat-TrackTM (電池跟蹤)。穩(wěn)定的中間電壓僅調(diào)節(jié)到足夠通過(guò)線性充電器恰當(dāng)充電的電壓值。不過(guò)，通過(guò)以這種方式跟蹤電池電壓，最大限度地減小了線性電池充電器中的功耗，提高了效率，并最大限度地提高了負(fù)載可用功率。另外，平均開(kāi)關(guān)輸入電流限制最大限度地提高了利用 USB 電源提供全部 2.5W 功率的能力。可選外部 PFET 降低理想二極管的阻抗，以實(shí)現(xiàn)較低的熱量損耗。這種架構(gòu)對(duì)具有大電池 (>1.5Ahr) 的系統(tǒng)而言是“必須”的。


圖 1  簡(jiǎn)化的開(kāi)關(guān)電源通路電路

 [!--empirenews.page--]   LTC3555：基于開(kāi)關(guān)電源通路管理器的電源管理集成電路

    LTC3555 電源管理集成電路將 USB 開(kāi)關(guān)電源通路管理器和鋰離子電池充電器與 3 個(gè)同步降壓型穩(wěn)壓器和 LDO 結(jié)合在一起，采用小型 28 引腳 (4mm x 5mm) QFN 封裝，可提供完整的電源解決方案 (參見(jiàn)圖 2)。

圖 2  LTC3555 簡(jiǎn)化方框圖

    恒定電流、恒定電壓鋰離子/聚合物電池充電器利用電池跟蹤功能，通過(guò)產(chǎn)生自動(dòng)跟蹤電池電壓的輸入電壓，最大限度地提高電池充電器的效率。獨(dú)立自主工作無(wú)需外部微處理器實(shí)現(xiàn)充電終止。由于節(jié)省了功率，因此 LTC3555 允許 VOUT 上的負(fù)載電流超過(guò) USB 端口吸取的電流，而不會(huì)超出 USB 負(fù)載規(guī)格；因此可從 USB 端口獲得 700mA 充電電流，實(shí)現(xiàn)了快速充電 (參見(jiàn)圖 3)。I2C 串行接口使得系統(tǒng)設(shè)計(jì)師能夠徹底控制充電器和降壓型穩(wěn)壓器，以實(shí)現(xiàn)在廣泛的應(yīng)用中改變工作模式這種終極適應(yīng)性。LTC3555 的 3 個(gè)用戶可配置降壓型 DC/DC 轉(zhuǎn)換器能夠向低至 0.8V 輸出電壓提供 0.4A、0.4A 和 1A 輸出電流，在輸出電壓高于 1.8V 時(shí)，以 100% 占空比工作并具有高達(dá) 92% 的效率。突發(fā)模式 (Burst Mode) 工作以每個(gè)穩(wěn)壓器僅為 35uA 的靜態(tài)電流 (停機(jī)時(shí) < 1uA) 優(yōu)化了輕負(fù)載時(shí)的效率，2.25MHz 高開(kāi)關(guān)頻率允許使用高度不到 1mm 的纖巧低成本電容器和電感器。另外，穩(wěn)壓器用陶瓷輸出電容器可穩(wěn)定，實(shí)現(xiàn)了非常低的輸出電壓紋波。這個(gè)器件還提供始終接通 3.3V LDO 穩(wěn)壓器輸出，能夠?yàn)槿鐚?shí)時(shí)時(shí)鐘或按鈕監(jiān)視器等系統(tǒng)提供 25mA 電流。

圖 3  從US 獲得的LTC3555高效開(kāi)關(guān)模式電源轉(zhuǎn)換充電電流允許從獨(dú)立USB端口獲得高于700mA的充電電流

結(jié)語(yǔ)

    電池供電型產(chǎn)品的設(shè)計(jì)師面臨著產(chǎn)品小尺寸、輸入電源便利性和靈活性、高效率充電、低熱損耗和 USB 兼容性這些需求所帶來(lái)的挑戰(zhàn)。同時(shí)，設(shè)計(jì)集成度日益提高以節(jié)省電路板空間、降低制造成本并提高產(chǎn)品可靠性。凌力爾特公司不斷成長(zhǎng)以及基于電源通路管理器的電源管理集成電路系列使得產(chǎn)品設(shè)計(jì)師的工作輕松了許多。這些集成電路能夠從 USB 端口抽取更多功率，無(wú)縫管理不同輸入電源、電池和負(fù)載之間的電源流動(dòng)，減少了熱量，并通過(guò) Bat-Track 自適應(yīng)輸出控制提高充電效率，提供低輸出電壓系統(tǒng)電源軌，而且可利用較少的外部組件簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)。這些集成電路還為由電池供電型便攜式電子產(chǎn)品的最終用戶帶來(lái)了其它益處，如 USB 充電便利性和便攜性、電池沒(méi)電或缺失時(shí)提供系統(tǒng)電源、以及快速充電。