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主要設(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)格要求。


管理電源通路是另一個(gè)問題。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)算放大器和其他分立組件實(shí)現(xiàn)這一功能,但是一直面臨著熱插拔、大浪涌電流等問題,這些問題可能引起更嚴(yán)重的系統(tǒng)可靠性問題。


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──與使用其他可用化學(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。隨著便攜式產(chǎn)品變得越來(lái)越復(fù)雜,對(duì)較高容量電池的需求也越來(lái)越大了,也就要求配備更先進(jìn)的電池充電器。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可取的。但是,提高充電電流帶來(lái)了兩大問題。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)。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)。這種高效率充電,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,都給設(shè)計(jì)由電池供電的電子產(chǎn)品帶來(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。
● 最大限度地提高效率。
● 減小占板面積和高度。


集成式電源管理器集成電路可以簡(jiǎn)單輕松地解決這些問題。

電源通路控制與理想二極管


電源通路控制功能能夠自主和無(wú)縫地管理各種不同輸入源之間的電源通路,如USB、交流適配器和電池之間的電源通路,并向負(fù)載供電。電源通路控制允許最終產(chǎn)品接電后立即工作,而不必考慮電池的充電狀態(tài),這稱作“即時(shí)接通”工作。一個(gè)具有電源通路控制功能的器件既為自身供電,又用USB總線或交流適配器電源為單節(jié)鋰離子/聚合物電池充電。為了確保一個(gè)滿充電電池在連接總線時(shí)保持滿電量,具有電源通路控制功能的集成電路通過(guò)USB總線向負(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。


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,理想二極管的反向電流泄漏也可以更小。微小的正向壓降減少了功耗和自熱,延長(zhǎng)了電池壽命(見圖1)。

 

圖1 簡(jiǎn)化的電源通路控制電路

圖1 簡(jiǎn)化的電源通路控制電路


電池充電器與電源通路控制器和理想二極管器件(電源通路管理器)集成,可高效管理多種輸入電源,為電池充電,向負(fù)載供電并降低功耗,所有這一切都是在一個(gè)外形尺寸極小的集成電路中實(shí)現(xiàn)的。電源通路控制電路可以采用線性或開關(guān)拓?fù)?,這兩種拓?fù)鋵?duì)系統(tǒng)而言都有各自的優(yōu)點(diǎn)。后面將評(píng)介這兩種架構(gòu),而較傳統(tǒng)的線性“充電器饋送型”系統(tǒng)將作為性能比較的基礎(chǔ)來(lái)介紹。

線性充電器饋送型系統(tǒng)


第一代USB系統(tǒng)直接在USB端口和電池之間插入限流電池充電器,由電池為系統(tǒng)供電。在這種“電池饋送型”系統(tǒng)中,可用系統(tǒng)功率可以表示為IUSB×VBAT,因?yàn)閂BAT是系統(tǒng)負(fù)載唯一可用的電壓(見圖2)。輸入電流約等于充電電流,因此無(wú)須附加輸入限流。系統(tǒng)負(fù)載直接連接到電池上,不需要理想二極管。所受到的一些限制包括:低效率;從USB吸取的電流限制到500mA;電池沒電或缺失(以及電池電壓低)時(shí),沒有系統(tǒng)電源;將近一半的可用功率損失在線性電池充電器單元內(nèi)。

圖2 簡(jiǎn)化的“電池饋送型”控制電路

圖2 簡(jiǎn)化的“電池饋送型”控制電路

線性電源通路系統(tǒng)


第二代USB充電系統(tǒng)在USB端口和電池之間采用了中間電壓。這種中間總線電壓拓?fù)浞Q為電源通路系統(tǒng)。在電源通路集成電路中,USB端口和中間電壓VOUT之間放置了一個(gè)限流開關(guān)。VOUT為線性電池充電器和系統(tǒng)負(fù)載供電。這種系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是,電池與系統(tǒng)負(fù)載之間被隔斷了,因此一有機(jī)會(huì)就可以進(jìn)行充電(見圖3)。該電源通路系統(tǒng)還實(shí)現(xiàn)了“即時(shí)接通”工作,因?yàn)殡娫匆患拥诫娐飞?,中間電壓就可用于系統(tǒng)負(fù)載。這允許最終產(chǎn)品一插電就立即工作,而不論電池的充電狀態(tài)如何。在線性電源通路系統(tǒng)中,只要未超過(guò)輸入電流限制,那么USB端口提供的2.5W功率的大部分就可由系統(tǒng)負(fù)載獲得。因此,與電池饋送型系統(tǒng)相比,線性電源通路系統(tǒng)具有極大的優(yōu)點(diǎn)。但是,仍有很多功率損失在線性電池充電器單元中,尤其是電池電壓較低時(shí)(輸入電壓和電池電壓之間產(chǎn)生大的電壓差)更是這樣。注意,就個(gè)別的交流適配器(或高壓)輸入通路而言,可能會(huì)做些調(diào)節(jié),就以較高效率工作而言,一個(gè)可選外部PFET可以降低理想二極管的阻抗。

圖3 簡(jiǎn)化的線性電源通路電路

圖3 簡(jiǎn)化的線性電源通路電路

開關(guān)電源通路系統(tǒng)


新的第三代USB充電系統(tǒng)具有基于開關(guān)模式的拓?fù)?。此類電源通路型器件從一個(gè)符合USB規(guī)格的降壓型開關(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)至電池電壓范圍內(nèi)的某一固定數(shù)值(見圖4)。這種形式的自適應(yīng)輸出控制稱為Bat-TrackTM(電池跟蹤)。穩(wěn)定的中間電壓僅調(diào)節(jié)到足夠傳給線性充電器恰夠充電的電壓值。通過(guò)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。平均開關(guān)輸入電流限制最大限度地提高了利用USB電源提供的全部2.5W功率的能力,可選外部PFET則降低理想二極管的阻抗。這種架構(gòu)對(duì)具有大電池(>1.5Ah)的系統(tǒng)而言是“必須”的。像線性電源通路配置一樣,開關(guān)電源通路系統(tǒng)也提供“即時(shí)接通”工作。

圖4 簡(jiǎn)化的開關(guān)電源通路電路

圖4 簡(jiǎn)化的開關(guān)電源通路電路

解決方案


很多公司都推出了單片鋰離子/聚合物開關(guān)電源通路管理器,凌力爾特公司的LTC4088就是其中一種。它能提供1.5A充電電流,適用于快速充電應(yīng)用。該器件具有同步整流、“即時(shí)接通”工作和Bat-Track自適應(yīng)輸出控制能力,可實(shí)現(xiàn)高效率工作。LTC4088的電源通路控制功能和開關(guān)模式架構(gòu)最大限度地提高了可從USB獲得的功率,而且低阻抗“理想二極管”MOSFET產(chǎn)生熱量較少。由于節(jié)省了功率,因此LTC4088允許VOUT端的負(fù)載電流超過(guò)從USB端口吸取的電流而不會(huì)超過(guò)USB負(fù)載規(guī)范(見圖5)。其扁平14引腳、3mm×4mm DFN封裝和很少的外部組件可為媒體播放器、智能電話、數(shù)碼相機(jī)、手持式計(jì)算機(jī)和GPS系統(tǒng)組成簡(jiǎn)單、緊湊和經(jīng)濟(jì)的解決方案。
高效率開關(guān)模式電源轉(zhuǎn)換允許標(biāo)準(zhǔn)USB端口提供高于700mA的充電電流(不是限制到500mA,而是限制到大約2.3W),LTC3555就是這樣的產(chǎn)品。該P(yáng)MIC將USB開關(guān)電源通路管理器和電池充電器與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×5mm)QFN封裝,可提供完整的電源解決方案(見圖6)。

圖5 從USB獲得的LTC4088充電電流

圖5 從USB獲得的LTC4088充電電流

圖6  LTC3555方框圖

圖6  LTC3555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。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,在廣泛的應(yīng)用中改變工作模式。

LTC3555的3個(gè)用戶可配置降壓型DC/DC轉(zhuǎn)換器能夠向  0.8V輸出提供0.4A、0.4A和1A電流,在輸出電壓高于1.8V時(shí),具有高達(dá)92%的效率。這個(gè)器件還提供始終接通3.3V輸出,能夠?yàn)閷?shí)時(shí)時(shí)鐘或按鈕監(jiān)視器等系統(tǒng)提供25mA電流。

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