具有開(kāi)關(guān)電源的下一代電源管理集成電路
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時(shí)間：2008-09-23
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技術(shù)方案與實(shí)用技巧
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(zhù)可下載媒體內容的爆炸性增長(cháng)，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(guò)，用USB端口給設備的電池充電時(shí)，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(wèn)題，為最終用戶(hù)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、以及為負載供電、以最低的熱量快速充電以及實(shí)現“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(hù)提供了更大的方便。但是，USB規范對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(mǎn)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(chǎn)品內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(chē)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、負載和電池之間的電源通路帶來(lái)了巨大的技術(shù)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(shí)現這一功能，但是一直面臨著(zhù)熱插拔、大浪涌電流等巨大的問(wèn)題，這些問(wèn)題可能引起嚴重的系統可靠性問(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)現一個(gè)實(shí)用的解決方案。
便攜式消費類(lèi)電子產(chǎn)品常常采用鋰離子電池和鋰離子聚合物電池，因為這類(lèi)電池的能量密度相對較高─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(zhù)便攜式手持產(chǎn)品變得越來(lái)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(lái)越大了，對更先進(jìn)的電池充電器也產(chǎn)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(shí)間才能充電至滿(mǎn)電量。大多數消費者希望充電時(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(xiàn)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，根據主控制器協(xié)商好的模式，充電器必須將從5VUSB總線(xiàn)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(shí)現高水平的功能集成、以及節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)品設計師帶來(lái)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(gè)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(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(lèi)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(shí)現“即時(shí)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(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(gè)滿(mǎn)充電電池在連接USB總線(xiàn)時(shí)保持滿(mǎn)電量，集成電路通過(guò)USB總線(xiàn)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(guò)一個(gè)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(jiàn)圖1以獲得詳細信息，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(cháng)了電池壽命。
開(kāi)關(guān)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(xiàn)性USB充電系統在USB端口和電池之間產(chǎn)生一個(gè)中間電壓(電源通路系統)。新的第三代USB充電系統具有基于開(kāi)關(guān)模式的拓撲。此類(lèi)電源通路器件從一個(gè)符合USB規格的降壓型開(kāi)關(guān)穩壓器產(chǎn)生一個(gè)中間總線(xiàn)電壓，該電壓被調節至一個(gè)高于電池電壓的固定電壓，參見(jiàn)圖1。這種形式的自適應輸出控制被凌力爾特公司稱(chēng)為Bat-TrackTM(電池跟蹤)。穩定的中間電壓僅調節到足夠通過(guò)線(xiàn)性充電器恰當充電的電壓值。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(xiàn)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(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?？蛇x外部PFET降低理想二極管的阻抗，以實(shí)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(jiǎn)化的開(kāi)關(guān)電源通路電路
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