新一代ASSP優化手持設備中的電源管理

去年，消費者購買了十億多部手機，2.2億臺筆記本電腦，1.4億只MP3，9千萬數碼相機(DSC)以及1千萬套個人導航設備(PND)。依據內部系統架構來說，所有的這些設備都有一定的共性。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，而利用另一個輸入電源作為備份或者為了充電。其次，它們都內置了一定的存儲設備，通常包括某種ROM、RAM或NAND閃存，而在許多時候還有一個硬盤(HDD)或SDIO卡。根據技術調查機構IDC的最新研究，去年全世界共生產了1610億GB的數字信息。這相當于需要用20億臺iPod來存儲這些信息。

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

PMP或DMB產品的一個關鍵優點是他們都能播放MP3和MP4格式。因此，利用一臺設備就可以欣賞來自DVD-CD或者從網站上下載的音樂和電影。典型地，設備的存儲媒質可以存儲超過150小時的視頻或者1200小時的音樂。但是，和其他任何依賴電池供電的手持設備相類似，這些PMP設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構里，同時還要提供更長的工作時間。

由于絕大多數PMP都具備視頻播放和MP3播放的功能，內部電路要求多個功率電平不等的低電壓軌。其原因是很清楚的，因為大多數數字大規模集成電路的工作電壓為1.5V或更低。同時，存儲器和I/O所需電壓為2.5～3.3V。于是，采用多負載點(POL)DC/DC變換器對來自鋰離子電池的電壓進行直接變換是不現實的，系統設計師必須采用更多的集成方案。

絕大多數電池供電的手持設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，以及保護功能(例如實際的輸出開路和精密的USB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。首先，ASIC是采用特定的晶圓制造工藝來制造的，要實現每個功能的最佳性能非常困難。其次，對于短動態設計周期的設計變得更為重要的是ASIC的定義和研發所導致的交貨周期過長。一般來說，一塊電源管理ASIC從概念到交貨需要的時間在一年半以上。而在此周期內，一種特定的產品設計可能已經更改了三次或更多。

用于電源管理的應用定制標準產品

絕大多數的電池供電的手持設備通常可以用一個AC適配器，一個通用串行總線(USB)，或者一塊鋰/聚合物電池來供電，但是，如何實現這些電源間的電源通道控制是一個很大的技術挑戰。直到最近，設計師還在試圖利用分離的方式，即用一組MOSFET以及運算放大器等來實現這一功能，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問題。

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

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標準，所有部分均封裝在一個4×5mm QFN內。似乎這還不足夠，它還帶有一個全功能的鋰離子/聚合物電池充電器，能夠提供高達1.2A的充電電流，再加上三個用來產生絕大多數USB外設所需的低電壓軌的高效率同步降壓轉換器。此外，LTC3555還提供一個恒定的25mA的低壓差線性調節器來為實時時鐘(RTC)和低功率邏輯電路供電。整個器件可以通過一個簡單的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的應用電路圖如圖1所示，圖中顯示了多功能的實現原理。DC/DC變換是一個相對簡單的降壓變換。LTC3555的三個片上降壓變換器都工作在電流模式控制，效率高達95%，具有I2C或芯選觸發突發模式或自動的觸發突發模式。DC/DC變換器的開關頻率為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有的電池和電源管理IC不同，實際上是電荷饋送(charger-fed)系統。在一般的電源管理IC中，外部電源并不直接為負載供電。而是由AC適配器或USB口為電池充電，然后再為負載供電。在電池被過度放電或根本就沒有任何電量的情況下，為負載供電會有一個延遲。這是因為電能無法直接從電池取走，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備供電。此外，芯片可以取走負載未用的功率，并用它為電池充電。

這兩個優點(即省去了充電延遲以及同時充電和為負載供電)延長了有效的工作時間，并且在連接到USB時加速充電。這種電源管理技術的另一個優點是提高了使用效率，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)。

高效率開關電源通道控制器

與有一個線性電源通道控制器的上一代產品LTC3455不同，LTC3555有一個高效率的開關模式電源通道控制器。專門為USB應用而設計，LTC3555的電源通道控制器整合了一個精密平均輸入遞降開關調節器，這樣可以最大限度地利用可用的USB功率。因為電能被保存，LTC3555允許VOUT上的負載電流超過USB口吸取的電流，但不超過USB負載規范的要求。電源通道開關調節器與電池充電器相互通信以確保輸入電流不會超過USB的指標限制。更進一步，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VBUS可用時并且電源通道開關調節器激活時，就可以通過SW將電源從VBUS送到VOUT(見圖2)。VOUT驅動外部負載(圖1中的開關調節器1，2和3)和電池充電器組成的混合負載。如果混合負載沒有超過電源通道開關調節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，效率被優化，因為損失到線性電池充電器上的功率被減到了最小，其結果是送到負載上的可用功率被優化。

如果VOUT的混合負載足夠大，能引起開關電源達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，以滿足外部負載需求的值。即使電池電流被設置得超過了允許的USB電流，也不會超過USB規范，因為開關調節器會始終限制平均輸入電流，以確保不會出現這種情況。進一步說，VOUT上的負載電流始終是優先的，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，而且負載的需求不會引起開關調節器超過USB規范的要求，VOUT將會降到一個位于3.6V與電池電壓之間的某個值上。如果電池不存在，而負載有超過了可用的USB功率，VOUT將會跌落到地電平。

LTC3555內含一個理想二極管(見圖2)，還有一個用于一個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，從而在VOUT低于電池電壓時將快速響應。如果負載電流增加到超過了開關調節器所允許的功率，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，則所有的應用功率將都經過理想二極管由電池提供。從輸入功率到電壓為VOUT的電池功率的轉換非常快，只允許使用一個3uF的電容器來避免VOUT下降。實現這一點是可能的，因為該理想二極管中包括一個精密放大器，當VOUT上的電壓比電池電壓低大約15mV(VFWD)時，放大器啟動一個大功率的片上P溝道MOSFET晶體管。內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備的設計師來說，有許多選項來確保電池壽命對于其特定的應用來說是最優化的。一個性能最優的、多功能的ASSP能夠提供實現最佳系統功能所需的電壓或功率電平，同時確保在正常工作時電池的漏功率減到最小。