電源管理IC優(yōu)化了一流的電路模塊

對于通過(guò)提高多種分立電源IC的集成度來(lái)節省PC板級空間的需求是催生PMIC的主要原因。在過(guò)去的5～10年時(shí)間里，這些SoC型IC已經(jīng)成為了很普通的產(chǎn)品。然而，它們的外形尺寸相當大，而且對于設計師來(lái)說(shuō)，還存在著(zhù)“隱性”成本和性能局限。

不過(guò)，如今已經(jīng)有了更加優(yōu)化的解決方案，如凌力爾特公司開(kāi)發(fā)的新一代PMIC。這些IC集合了“難以完成”的功能電路模塊功能，如電源路徑管理、高效同步開(kāi)關(guān)穩壓器、USB On-the-Go、過(guò)壓保護、高電壓輸入和全功能電池充電器等。其小外形、扁平QFN封裝和極少的外部組件造就了適合手持式電子設備(特別是那些利用USB電源的設備)的簡(jiǎn)單、緊湊且具成本效益的解決方案。同時(shí)，它們在其他市場(chǎng)空間里同樣擁有屬于自己的一片天地！
　　
圍繞“過(guò)度集成化”進(jìn)行設計
有些PMIC雖然可以節省板級空間，但對設計師而言，其中的很多IC隱性成本高，需要額外的設計時(shí)間，并存在性能局限。業(yè)界標準的PMIC外形較大，會(huì )產(chǎn)生大量的局部熱量，且含有許多并非應用所必需的功能，從而增加了復雜性。在很多設計場(chǎng)合中，即使集成是絕對必要的，設計師也別無(wú)選擇，只能為額外的功能“買(mǎi)單”(即便他們將僅使用芯片全部功能的一部分)。雖然采用多個(gè)IC加一個(gè)分立組件的方法是業(yè)已運用的替代方案，但這種做法會(huì )占用較多的板級空間、造成成本上升、增加制造復雜性，并導致材料用量的增多。

減少熱量
許多業(yè)界標準PMIC都具有多種板載線(xiàn)性穩壓器。然而，如果未能利用足夠的銅走線(xiàn)、散熱器或設計精良的輸入/輸出電壓和輸出電流水平來(lái)對線(xiàn)性穩壓器進(jìn)行正確的管理，則其將會(huì )在PC板上產(chǎn)生大量的局部熱量或“熱點(diǎn)”。另一方面，當輸入/輸出差分電壓或輸出電流很高時(shí)，開(kāi)關(guān)穩壓器可以提供一種更加有效的降壓和電壓轉換方法。在具有板載低電壓微處理器的多功能設備中，這是很常見(jiàn)的。因此，實(shí)現用于大多數電壓軌的開(kāi)關(guān)模式電源的必要性正在日益增加。此外，線(xiàn)性電池充電器可能是另一個(gè)發(fā)熱源 (取決于輸入電壓與電池電壓之差和充電電流)。原則上，就功耗而言，線(xiàn)性充電器相當于線(xiàn)性穩壓器。因此，在同一塊芯片上集成LDO和線(xiàn)性充電器有可能產(chǎn)生熱問(wèn)題，需要采取相應的對策來(lái)解決。

從單節鋰離子電池產(chǎn)生中間電壓軌
如今的許多時(shí)尚型多功能便攜式電子產(chǎn)品仍然需要+3.3V左右的電壓軌，如用于給I/O或一個(gè)HDD供電。顯然，單靠LDO并不足以從單節鋰離子電池輸入來(lái)產(chǎn)生這些系統電壓，因為它們可能只進(jìn)行降壓操作。甚至連采用降壓型開(kāi)關(guān)穩壓器也可能不夠。那些利用整個(gè)鋰離子電池電壓范圍的應用可能需要一個(gè)升降壓型穩壓器，該穩壓器能夠有效地提供一個(gè)固定的輸出電壓，而不管輸入是高于、低于還是等于該輸出。對于那些具有高脈動(dòng)電流要求的系統來(lái)說(shuō)，情況也是如此――在未接入一個(gè)大輸入電容器 (用于防止在VIN上產(chǎn)生壓降)的時(shí)候，降壓型穩壓器或LDO會(huì )失去輸出調節作用。

多輸入電源的管理
在便攜手持式產(chǎn)品中管理功率通量并最大限度地減少發(fā)熱量是一項重大的設計難題。越來(lái)越多的便攜式電池供電型產(chǎn)品可以從低電壓電源，如5V墻上適配器、一個(gè)USB端口或鋰離子/鋰聚合物電池，以及高電壓電源來(lái)取電。在對這些輸入電源和電池之間的功率通量進(jìn)行自主管理的同時(shí)也要有效地向負載供電，這就產(chǎn)生重大的技術(shù)障礙。傳統上，在便攜手持式產(chǎn)品中管理功率通量并最大限度地減少發(fā)熱量是一項重大的設計難題。越來(lái)越多的便攜式電池供電型產(chǎn)品可以從低電壓電源，如5V墻上適配器、一個(gè)USB端口或鋰離子/鋰聚合物電池，以及高電壓電源來(lái)取電。在對這些輸入電源和電池之間的功率通量進(jìn)行自主管理的同時(shí)也要有效地向負載供電，這就產(chǎn)生重大的技術(shù)障礙。傳統上，為了實(shí)現該功能，設計師們采取的是分立型方法，即使用少量的MOSFET、運算放大器和其他組件，但會(huì )面臨熱插拔、發(fā)熱量過(guò)大、大浪涌電流以及至負載的大瞬態(tài)電壓等難題。

從USB高效地吸取功率
USB技術(shù)提高了電子設備的便利性。如果能夠從USB端口來(lái)對設備進(jìn)行充電，將帶來(lái)很大的便利，并免除增設一個(gè)單獨墻上適配器之需。然而，當把USB用于給設備的電池進(jìn)行充電時(shí)，存在著(zhù)功率限制(最大可用功率為2.5W)。因此，電池充電器必須在不超過(guò)終端產(chǎn)品熱限度的情況下高效地從USB端口吸取功率。
　　
PowerPath控制
新型PMIC的一個(gè)重要的特點(diǎn)是PowerPath控制。這種自動(dòng)負載優(yōu)先級處理提供了對多種輸入電源之間的功率通量進(jìn)行自主和無(wú)縫管理的能力，并優(yōu)先向系統負載供電。在傳統的電池饋電型充電系統中，用戶(hù)必須等待，直到存在足以獲取系統電源的電池充電和電壓電平為止。與此相反，PowerPath控制使得終端產(chǎn)品能夠在插上電源后立即運作(而不管電池的充電狀態(tài)如何)，這通常被稱(chēng)為“即時(shí)接通”操作。線(xiàn)性和開(kāi)關(guān)拓撲結構都可以采用PowerPath控制電路。線(xiàn)性PowerPath拓撲結構的優(yōu)點(diǎn)包括Bat-TrackTM自適應輸出控制能力(利用一個(gè)外部高電壓降壓型穩壓器來(lái)實(shí)現)和熱性能的改善 (功率輸送至系統負載)。開(kāi)關(guān)模式PowerPath技術(shù)保持了這些優(yōu)點(diǎn)，并改善了至負載/系統以及至電池的功率輸送效率。它消除了線(xiàn)性電池充電器組件中的功率損失（當電池電壓很低和/或輸入功率有限時(shí)，這一點(diǎn)尤其關(guān)鍵），并使其擁有了卓越的熱特性。另一個(gè)重要的優(yōu)點(diǎn)是，在電池電壓很低的情況下，它能夠從一個(gè)標準的USB端口(～2.3W)吸取高達700mA的電池充電電流。表1概要羅列并比較了三種不同的USB充電系統拓撲結構。

集成升降壓和升壓型穩壓器能力
具有中高輸出電流的低電壓軌 (例如，用于給微處理器內核供電并低至 0.8V的電壓軌) 可以高效地從同步降壓型穩壓器產(chǎn)生。然而，許多時(shí)尚型多功能便攜式電子產(chǎn)品仍然需要一個(gè)+3V或+3.3V的中間電壓軌。通過(guò)把同步升降壓型開(kāi)關(guān)操作能力集成到PMIC之中，可在整個(gè)鋰離子/鋰聚合物電池輸入范圍內高效地提供3.3V穩壓，從而增加了操作裕度。此外，同步升壓型穩壓器還能夠以高于80%的上佳效率來(lái)實(shí)現至高于鋰離子電池電壓范圍的電壓軌“升壓”轉換。而且，高開(kāi)關(guān)頻率減小了外部組件的尺寸，而采用陶瓷電容器則降低了輸出紋波。

較長(cháng)的電池使用壽命和運行時(shí)間
能否準確地將鋰離子/鋰聚合物電池充電至其最終的浮動(dòng)電壓，將對電池的使用壽命產(chǎn)生重要的影響。這是通過(guò)選擇一個(gè)具有嚴格浮動(dòng)電壓準確度并運用準確充電終止算法的合適電池充電IC來(lái)管理的，所有這些將最大限度地延長(cháng)電池的運行時(shí)間，而不會(huì )導致電池被過(guò)度充電。此外，低系統待機(靜態(tài))電流以及利用同步整流實(shí)現的高開(kāi)關(guān)穩壓器轉換效率產(chǎn)生了很小的系統電流消耗，從而進(jìn)一步地延長(cháng)了電池的運行時(shí)間。在輕負載條件下，突發(fā)模式(Burst Mode)操作將自動(dòng)地減小開(kāi)關(guān)穩壓器靜態(tài)電流(Iq)，以幫助降低器件的電流消耗。

下面，我們將介紹兩個(gè)具體的實(shí)例。

LTC3586 PMIC
LTC3586 PMIC集成了1個(gè)開(kāi)關(guān)PowerPath管理器、1個(gè)獨立型電池充電器、4個(gè)高效率同步開(kāi)關(guān)穩壓器(1個(gè)升降壓型、1個(gè)升壓型和2個(gè)降壓型穩壓器)和1個(gè)始終保持接通的LDO，它們被全部整合在一個(gè)緊湊、扁平的38引腳4mm6mm QFN封裝中。

圖1 LTC3586的簡(jiǎn)化方框圖

為了實(shí)現快速充電，LTC3586的開(kāi)關(guān)輸入級將可從USB端口獲得的2.5W功率幾乎全部轉換成了充電電流，從而提供了高達700mA(從一個(gè)電流限值為500mA的USB電源)或高達1.5A(當采用墻上適配器供電時(shí))的充電電流。LTC3586的升降壓型穩壓器能夠提供高達1A的連續電流，并且非常適合于在整個(gè)鋰離子電池電壓范圍內(低至2.7V輸入)對一個(gè)3.3V輸出進(jìn)行高效穩壓。其兩個(gè)降壓型穩壓器具有100%的工作占空比，而且各能提供400mA的輸出電流，并具有低至0.8V的可調輸出電壓。升壓型穩壓器能夠提供至少800mA的輸出電流，且具有一個(gè)高達5V的可編程輸出。LTC3586的內部低RDS(ON)開(kāi)關(guān)實(shí)現了高達94%的降壓和升降壓效率，從而最大限度地延長(cháng)了電池的運行時(shí)間。此外，突發(fā)模式操作還優(yōu)化了輕負載條件下的效率，靜態(tài)電流僅為25μA(對于升降壓型穩壓器)和35μA(對于每個(gè)降壓型穩壓器)。2.25MHz的高開(kāi)關(guān)頻率允許使用纖巧型、低成本的電容器和高度1mm的電感器，并實(shí)現了非常低的輸出電壓紋波。此外，所有的穩壓器均能夠在采用陶瓷輸出電容器的情況下保持穩定，從而實(shí)現了小占板面積，且不會(huì )發(fā)生熱問(wèn)題。
　　
LTC3576 PMIC具有USB OTG支持能力
LTC3576內置1個(gè)具輸入過(guò)壓保護和USB On-The-Go(OTG)功能的雙向開(kāi)關(guān)電源管理器、1個(gè)獨立型電池充電器、3個(gè)高效率同步降壓型穩壓器、1個(gè)理想二極管、I2C控制功能和一個(gè)始終保持接通的LDO，所有這些都被集成在一個(gè)緊湊、扁平的38引腳4mm6mm QFN封裝之中(見(jiàn)圖2)。

圖2 LTC3576的簡(jiǎn)化方框圖

LTC3576的USB兼容型雙向開(kāi)關(guān)穩壓器具有100mA和500mA的可編程輸入電流限值，以及一個(gè)1A的墻上適配器輸入電流限值。該IC還能夠從電池獲取功率，以在不增設任何組件的情況下產(chǎn)生USB OTG應用所需的500mA(在5V)電流，從而使得該器件可以起一個(gè)主機的作用。該IC提供了一個(gè)過(guò)壓保護(OVP)控制電路，用于防止其輸入因意外施加高達66V的電壓而受損。OVP電路能夠保護USB端口，即使在IC為USB OTG供電的情況下也不例外。LTC3567利用一個(gè)配套使用的凌力爾特高電壓開(kāi)關(guān)穩壓器提供了Bat-TrackTM控制，以從高電壓輸入實(shí)現高效充電，同時(shí)最大限度地減少熱耗散，并在USB和較高電壓電源之間提供一種無(wú)縫切換。
LTC3576的三個(gè)集成同步降壓型穩壓器在采用陶瓷電容器時(shí)可實(shí)現穩定，具有100%的工作占空比，并能夠分別輸送1A/400mA/400mA的輸出電流，且可調輸出電壓低至0.8V。內部低RDS(ON)開(kāi)關(guān)實(shí)現了高達94%的效率，從而最大限度地延長(cháng)了電池的運行時(shí)間。此外，突發(fā)模式操作還優(yōu)化了輕負載條件下的效率，每個(gè)穩壓器的靜態(tài)電流僅為20μA(在停機模式中1μA)。所有三個(gè)降壓型開(kāi)關(guān)穩壓器均可通過(guò)I2C接口對其電壓實(shí)施“執行中”調節，以實(shí)現電壓裕度調節或優(yōu)化微處理器中的性能/功率折衷方案。最后，2.25MHz的高開(kāi)關(guān)頻率允許使用纖巧型、低成本的電容器和高度 1mm的電感器。
　　
各式各樣的最終應用
新型PMIC系列已經(jīng)成為諸如個(gè)人媒體播放器(PMP)、個(gè)人導航裝置(PND)、電子圖書(shū)閱讀器和智能手機等消費類(lèi)手持式USB供電型產(chǎn)品的極佳選擇。然而，由于增加了新的功能塊并提高了電壓和功率輸送能力，使得這些新型PMIC滲透到了其他的市場(chǎng)空間中，如工業(yè)便攜式產(chǎn)品或便攜式數據輸入終端將得益于高輸入電壓能力、以及針對工業(yè)系統總線(xiàn)電壓的輸入電壓瞬變的過(guò)壓保護功能，醫療設備將得益于多種電壓軌組合和低靜態(tài)電流，便攜式汽車(chē)診斷和個(gè)人導航裝置(PND)單元可得益于高電壓輸入能力，以便除USB之外還能從高電壓電源高效地對這些單元進(jìn)行供電。即使諸如視覺(jué)系統和戰場(chǎng)環(huán)境傳感器系統等軍事應用也將從PMIC的堅固型設計和高電壓能力當中獲益匪淺。