具有開關電源通路管理的下一代電源管理集成電路

本文介紹了具有開關電源通路管理的集成電路設計面臨的問題和完整解決方案。

關鍵詞：Linear；電源管理；PMIC

背景

　　USB 技術提高了電子產品的便攜性，同時需要較大的電池容量為更多功能供電。以個人媒體播放器為例，隨著可下載媒體內容的爆炸性增長，人們想要將 PC 中的數據傳送到便攜式手持設備，USB 使得這種傳送速度更快。用同樣的 USB 端口給設備充電也很方便。不過，用 USB 端口給設備的電池充電時，在功率上有一些限制。電源通路 (PowerPath) 拓撲集成電路解決了這些問題，為最終用戶帶來了各種益處，例如能夠自主和無縫地管理各種不同的輸入電源、電池、以及為負載供電、以最低的熱量快速充電以及實現“即時接通”工作。凌力爾特公司提供的 LTC3555 是一種電源管理集成電路 (PMIC)，片上有基于開關模式的電源通路管理器、鋰離子電池充電器、3 個降壓型穩壓器、以及 LDO。該器件具有很多高性能功能，有益于最終產品，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品組成簡單、緊湊和經濟的解決方案。

主要的設計難題

　　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 規范對 USB 電流有一定限制。一個基于 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用在空間和熱量方面的嚴格限制。

　　在產品內管理電源通路是另一個問題。例如，今天很多由電池供電的便攜式電子產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，自主管理這些電源、負載和電池之間的電源通路帶來了巨大的技術挑戰。傳統上，設計師們一直嘗試用少量 MOSFET、運算放大器和其它分立組件實現這一功能，但是一直面臨著熱插拔、大浪涌電流等巨大的問題，這些問題可能引起嚴重的系統可靠性問題。直到最近，即使分立的集成電路解決方案也需要幾個芯片來實現一個實用的解決方案。

　　便攜式消費類電子產品常常采用鋰離子電池和鋰離子聚合物電池，因為這類電池的能量密度相對較高 ─ 與使用其它可用化學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。隨著便攜式手持產品變得越來越復雜，它們消耗的功率也更多，因此對較高容量電池的需求也越來越大了，對更先進的電池充電器也產生了相應的需求。容量較大的電池需要較高的充電電流或者更多的時間才能充電至滿電量。大多數消費者希望充電時間較短，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了兩大問題。首先，就線性充電器而言，電流增大會增加功耗，也就是熱量，將典型的實際功率“最大值”降至 2.1W。其次，根據主控制器協商好的模式，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)。這種對高效率充電的需求，加之電池充電器集成電路必須實現高水平的功能集成、以及節省電路板空間和提高產品可靠性的需求，都給電池供電型電子產品設計師帶來了壓力。

　　總之，系統設計師面臨的主要挑戰如下：

　　·最大限度地提高從 USB 端口 (可提供 2.5W) 獲取的電流；
　　·管理多個輸入電壓源、電池和負載之間的電源通路；
　　·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 (如凌力爾特公司提供的電源管理集成電路) 就可簡單輕松地解決這些問題。

一個簡單的解決方案：電源通路控制

　　電源通路控制能夠自主和無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，并向負載提供充足的功率。電源通路系統還能實現“即時接通”工作，因為一向電路供電，中間電壓就可向系統負載供電，這允許最終產品插電后立即工作，而不管電池的充電狀態。一個具有電源通路控制功能的器件既為該器件負載供電，又用電源為單節鋰離子/聚合物電池充電。為了確保一個滿充電電池在連接 USB 總線時保持滿電量，集成電路通過 USB 總線直接向負載輸送功率，而不是從電池抽取功率。一旦電源被去掉，電流就通過一個內部低損耗理想二極管從電池流向負載，從而最大限度地降低了壓降和功耗。參見圖 1 以獲得詳細信息，該圖是一個簡化的開關電源通路方框圖。理想二極管的正向壓降遠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，延長了電池壽命。

開關電源通路系統

　　第一代 USB 充電系統應用直接在 USB 端口和電池之間設置限流的電池充電器，電池直接給系統供電。第二代線性 USB 充電系統在 USB 端口和電池之間產生一個中間電壓 (電源通路系統)。新的第三代 USB 充電系統具有基于開關模式的拓撲。此類電源通路器件從一個符合 USB 規格的降壓型開關穩壓器產生一個中間總線電壓，該電壓被調節至一個高于電池電壓的固定電壓，參見圖 1。這種形式的自適應輸出控制被凌力爾特公司稱為 Bat-TrackTM (電池跟蹤)。穩定的中間電壓僅調節到足夠通過線性充電器恰當充電的電壓值。不過，通過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載可用功率。另外，平均開關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，以實現較低的熱量損耗。這種架構對具有大電池 (>1.5Ahr) 的系統而言是“必須”的。

圖 1? 簡化的開關電源通路電路

LTC3555：基于開關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 開關電源通路管理器和鋰離子電池充電器與 3 個同步降壓型穩壓器和 LDO 結合在一起，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 (參見圖 2)。

圖 2? LTC3555 簡化方框圖

　　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，通過產生自動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。獨立自主工作無需外部微處理器實現充電終止。由于節省了功率，因此 LTC3555 允許 VOUT 上的負載電流超過 USB 端口吸取的電流，而不會超出 USB 負載規格；因此可從 USB 端口獲得 700mA 充電電流，實現了快速充電 (參見圖 3)。I2C 串行接口使得系統設計師能夠徹底控制充電器和降壓型穩壓器，以實現在廣泛的應用中改變工作模式這種終極適應性。LTC3555 的 3 個用戶可配置降壓型 DC/DC 轉換器能夠向低至 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，以 100% 占空比工作并具有高達 92% 的效率。突發模式 (Burst Mode) 工作以每個穩壓器僅為 35uA 的靜態電流 (停機時 < 1uA) 優化了輕負載時的效率，2.25MHz 高開關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，穩壓器用陶瓷輸出電容器可穩定，實現了非常低的輸出電壓紋波。這個器件還提供始終接通 3.3V LDO 穩壓器輸出，能夠為如實時時鐘或按鈕監視器等系統提供 25mA 電流。

圖 3? 從 USB 獲得的 LTC3555 高效開關模式電源轉換充電電流允許從獨立?
USB 端口獲得高于 700mA 的充電電流

結語

　　電池供電型產品的設計師面臨著產品小尺寸、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的挑戰。同時，設計集成度日益提高以節省電路板空間、降低制造成本并提高產品可靠性。凌力爾特公司不斷成長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品設計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，無縫管理不同輸入電源、電池和負載之間的電源流動，減少了熱量，并通過 Bat-Track 自適應輸出控制提高充電效率，提供低輸出電壓系統電源軌，而且可利用較少的外部組件簡化設計。這些集成電路還為由電池供電型便攜式電子產品的最終用戶帶來了其它益處，如 USB 充電便利性和便攜性、電池沒電或缺失時提供系統電源、以及快速充電。

參考文獻：

　　1.? Steve Knoth，電源通路管理器集成電路提供高壓保護，電子產品世界，2008.6