電源通路管理器集成電路提供高壓保護

前言

　　USB 端口是快速數據傳輸的首選方法，也正在迅速成為便攜式設備電池充電的首選方法，因為可以不再需要單獨的交流適配器。不過(guò)，用 USB 端口給設備電池充電時(shí)存在功率限制。另外，由于便攜性需求，越來(lái)越需要在家庭之外的場(chǎng)所充電 (例如，在汽車(chē)中)。但是汽車(chē)電源也有缺點(diǎn)，如電壓瞬態(tài)或來(lái)自交流發(fā)電機的浪涌。因此，電池充電器集成電路需要很好地保護，以應對這類(lèi)嚴酷的情況。模擬集成電路中的電源通路(PowerPath)充電系統拓撲為系統設計師和最終產(chǎn)品用戶(hù)帶來(lái)了無(wú)數優(yōu)點(diǎn)，如能夠自主和無(wú)縫地管理多個(gè)輸入電源，為系統負載供電并給電池充電。這種集成電路拓撲除了能減少熱量，還可實(shí)現較快的充電時(shí)間和即時(shí)接通工作。

　　這類(lèi)集成電路的一個(gè)新趨勢是集成高壓能力和過(guò)壓保護功能，以處理汽車(chē)、Firewire 或未穩壓交流適配器輸入。這些電源通路管理器集成電路采用扁平封裝，需要極少的外部組件，可為個(gè)人導航器、媒體播放器、數碼相機、PDA 和智能電話(huà)等手持式電子產(chǎn)品組成簡(jiǎn)單、緊湊和經(jīng)濟的解決方案。

設計難題

　　能承受汽車(chē)電源、Firewire 端口或未穩壓 12V/24V 適配器等高壓輸入電源為在家庭或辦公室之外的場(chǎng)所充電提供了方便。例如，有了適配器電源，手持式產(chǎn)品中的適配器電壓和電池電壓之間的壓差可以很大。而視所需充電時(shí)間和充電電流的不同，線(xiàn)性充電器也許不能承受這么大的功耗。這種情況通常需要一個(gè)具有開(kāi)關(guān)模式拓撲的集成電路來(lái)保持快速充電，同時(shí)提高效率并減少熱量管理問(wèn)題。另外，具有高壓能力和/或過(guò)壓保護的集成電路還不容易受到輸入電壓瞬態(tài)的損害，提高了集成電路和系統的抗瞬態(tài)性和可靠性。

　　管理最終產(chǎn)品中的電源通路是另一個(gè)設計難題。今天，很多便攜式電池供電電子產(chǎn)品可以由低壓源 (交流適配器、USB 端口或鋰離子/聚合物電池等) 以及高壓源供電。不過(guò)，自主管理這些電源和電池之間的電源通路并為負載供電帶來(lái)了極大的技術(shù)挑戰。傳統上，設計師一直用少量 MOSFET、運算放大器和其它組件來(lái)單獨實(shí)現這一功能，但是一直面臨著(zhù)負載熱插拔、負載上有大浪涌電流以及大電壓瞬態(tài)等難題，這些問(wèn)題可能引起嚴重的系統可靠性問(wèn)題。

　　鋰離子和鋰聚合物電池是便攜式消費類(lèi)電子產(chǎn)品的首選，因為它們的能量密度相對較高，在給定尺寸和重量限制下，可比其它可用化學(xué)材料實(shí)現更高的電池容量。隨著(zhù)便攜式產(chǎn)品變得越來(lái)越復雜，它們消耗的功率也越來(lái)越多，因此對較高容量電池的需求也增強了，相應地也需要更先進(jìn)的電池充電器。較大的電池要充滿(mǎn)電就需要較高的充電電流或者需要更長(cháng)的充電時(shí)間。另外，在很多情況下，能用 USB 端口給電池充電意味著(zhù)對用戶(hù)更方便，但是 USB 兼容性造成了對 USB 電流(最大 500mA)和功率(最大 2.5W)的限制?；?USB 的電池充電器必須盡可能高效率地從 USB 端口抽取更多功率，以滿(mǎn)足今天功率密集型應用嚴格的熱量限制。

　　大多數消費者都希望縮短充電時(shí)間，因此提高充電電流似乎是顯而易見(jiàn)的選擇，但是提高充電電流有兩個(gè)大的弊端。首先，就線(xiàn)性充電器而言，提高電流會(huì )增加功耗，這些功耗轉換成了熱量，從而將典型的實(shí)際“最大”功率降至 2.1W。其次，充電器必須視主器件協(xié)商好的模式，將從 5V USB 總線(xiàn)吸取的電流限制為 100mA(500mW)或 500mA(2.5W)。充電過(guò)程中浪費的任何功率都直接導致較長(cháng)的充電時(shí)間。需要高效率充電、電池充電器集成電路具有高的功能集成度以及需要節省電路板空間和提高產(chǎn)品可靠性，這些都給由電池供電的電子產(chǎn)品的設計師施加了壓力。

　　制造商們也正在改變印刷電路板的使用方式，現在他們不是使用單個(gè)多層電路板，而是越來(lái)越多地在空間受限設計中使用相互堆疊的多個(gè)電路板。先進(jìn)的封裝有助于減少高度/厚度并節省印刷電路板面積，可以實(shí)現更高效的堆疊。

　　總之，系統設計師面臨的主要難題包括：

　　●最大限度地提高從 USB 端口獲得的電流(可提供 2.5W)；
　　●管理多個(gè)輸入電壓源和電池之間的電源通路，同時(shí)向負載供電；
　　●保護集成電路免被高壓系統瞬態(tài)損壞；
　　●最大限度減少熱量同時(shí)快速充電；
　　●最大限度提高充電效率和延長(cháng)電池工作時(shí)間；
　　●最大限度減小解決方案占板面積和高度。

　　具有高壓輸入能力和過(guò)壓保護功能、集成和緊湊的電源通路管理器 IC 簡(jiǎn)單輕松地解決了這些問(wèn)題。

一個(gè)簡(jiǎn)單的解決方案

　　具有電源通路控制功能的集成電路能夠自主和無(wú)縫地管理 USB、交流適配器、電池等不同輸入電源之間的電源通路，同時(shí)優(yōu)先向負載供電。為了確保充滿(mǎn)電的電池在連接 USB 總線(xiàn)時(shí)仍然保持滿(mǎn)電量，這類(lèi)集成電路通過(guò) USB 總線(xiàn)向負載供電而不是從電池抽取功率。一旦電源去掉，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，從而最大限度地提高效率、降低功耗。理想二極管的正向壓降遠低于常規或肖特基二極管，因此最大限度地提高了能量傳輸效率，反向電流泄漏也更小。典型值為 20mV 的微小正向壓降減少了功率損耗和自熱，因此延長(cháng)了電池工作時(shí)間。另外，三終端(或“中間總線(xiàn)”)拓撲去掉了電池與 VOUT 的耦合，允許最終產(chǎn)品一插上電源插頭就立即工作，而不管電池的充電狀態(tài)甚至電池缺失也一樣，這通常稱(chēng)作“即時(shí)接通”工作。

　　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，可高效管理各種輸入電源、給電池充電、優(yōu)先向負載供電并降低功耗。電源通路控制電路可以采取線(xiàn)性或開(kāi)關(guān)拓撲，因為視具體充電要求不同，他們對系統而言都有一定的優(yōu)點(diǎn)。

開(kāi)關(guān)電源通路系統的優(yōu)點(diǎn)

　　與電池饋送型系統相比，線(xiàn)性電源通路系統的優(yōu)點(diǎn)是向負載/系統提供功率的效率高，但是在線(xiàn)性電池充電器單元中有功率損耗，尤其是如果電池電壓較低(導致輸入電壓和電池電壓之間出現大的壓差)時(shí)更是這樣。而基于開(kāi)關(guān)模式拓撲的電源通路電路通過(guò)符合 USB 要求的降壓型開(kāi)關(guān)穩壓器產(chǎn)生中間總線(xiàn)電壓，穩壓器穩定在比電池電壓高 300mV 的電壓上(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)作“電池跟蹤(Bat-Track)”。穩定的中間電壓剛好高到允許通過(guò)內部線(xiàn)性充電器恰當充電。用這種方法跟蹤電池電壓，最大限度地降低了線(xiàn)性電池充電器中的功率損耗、提高了效率并最大限度地提高了提供給負載的功率。具有平均輸入限流的開(kāi)關(guān)架構最大限度地提高了使用 USB 電源提供的所有 2.5W 功率的能力?？蛇x外部 PFET 降低了電池和負載之間理想二極管的阻抗，進(jìn)一步減少了熱損耗。這種架構是使用大電池(>1.5AHr)的系統“必須”采用的。

圖 1  簡(jiǎn)化的開(kāi)關(guān)電源通路電路(4088 F01)