具有开关电源通路管理的下一代电源管理集成电路

作者：Steve Knoth 凌力尔特公司产品市场工程师

背景

USB 技术提高了电子产品的便携性，同时需要较大的电池容量为更多功能供电。以个人媒体播放器为例，随着可下载媒体内容的爆炸性增长，人们想要将 PC 中的数据传送到便携式手持设备，USB 使得这种传送速度更快。用同样的 USB 端口给设备充电也很方便。不过，用 USB 端口给设备的电池充电时，在功率上有一些限制。电源通路 (PowerPath) 拓扑集成电路解决了这些问题，为最终用户带来了各种益处，例如能够自主和无缝地管理各种不同的输入电源、电池、以及为负载供电、以最低的热量快速充电以及实现“即时接通”工作。凌力尔特公司提供的 LTC3555 是一种电源管理集成电路 (PMIC)，片上有基于开关模式的电源通路管理器、锂离子电池充电器、3 个降压型稳压器、以及 LDO。该器件具有很多高性能功能，有益于最终产品，其微型扁平 QFN 封装以及极少的外部组件可为手持式电子产品组成简单、紧凑和经济的解决方案。

主要的设计难题

在很多情况下，能够用 USB 端口给电池充电为用户提供了更大的方便。但是，USB 规范对 USB 电流有一定限制。一个基于 USB 的电池充电器必须尽可能高效率地从 USB 端口抽取尽可能多的功率，以满足今天的电源密集型应用在空间和热量方面的严格限制。

在产品内管理电源通路是另一个问题。例如，今天很多由电池供电的便携式电子产品可以用交流适配器、汽车适配器、USB 端口或锂离子/聚合物电池供电。不过，自主管理这些电源、负载和电池之间的电源通路带来了巨大的技术挑战。传统上，设计师们一直尝试用少量 MOSFET、运算放大器和其它分立组件实现这一功能，但是一直面临着热插拔、大浪涌电流等巨大的问题，这些问题可能引起严重的系统可靠性问题。直到最近，即使分立的集成电路解决方案也需要几个芯片来实现一个实用的解决方案。

便携式消费类电子产品常常采用锂离子电池和锂离子聚合物电池，因为这类电池的能量密度相对较高 ─ 与使用其它可用化学材料制成的电池相比，在给定的尺寸和重量限制条件下，它们的容量更大。随着便携式手持产品变得越来越复杂，它们消耗的功率也更多，因此对较高容量电池的需求也越来越大了，对更先进的电池充电器也产生了相应的需求。容量较大的电池需要较高的充电电流或者更多的时间才能充电至满电量。大多数消费者希望充电时间较短，因此提高充电电流似乎是明显可取的，但是提高充电电流带来了两大问题。首先，就线性充电器而言，电流增大会增加功耗，也就是热量，将典型的实际功率“最大值”降至 2.1W。其次，根据主控制器协商好的模式，充电器必须将从 5V USB 总线吸取的电流限制到 100mA (500mW) 或 500mA (2.5W)。这种对高效率充电的需求，加之电池充电器集成电路必须实现高水平的功能集成、以及节省电路板空间和提高产品可靠性的需求，都给电池供电型电子产品设计师带来了压力。

总之，系统设计师面临的主要挑战如下：

·最大限度地提高从 USB 端口 (可提供 2.5W) 获取的电流；
　　
·管理多个输入电压源、电池和负载之间的电源通路；
　　
·最大限度地减少热量；
　　
·最大限度地提高充电效率；
　　
·最大限度地减小解决方案占板面积和高度。

“富有意义地集成”的电源管理集成电路 (如凌力尔特公司提供的电源管理集成电路) 就可简单轻松地解决这些问题。

一个简单的解决方案：电源通路控制

电源通路控制能够自主和无缝地管理各种不同输入源之间的电源通路，如 USB 端口、墙上交流适配器和其他类型的交流适配器以及电池之间的电源通路，并向负载提供充足的功率。电源通路系统还能实现“即时接通”工作，因为一向电路供电，中间电压就可向系统负载供电，这允许最终产品插电后立即工作，而不管电池的充电状态。一个具有电源通路控制功能的器件既为该器件负载供电，又用电源为单节锂离子/聚合物电池充电。为了确保一个满充电电池在连接 USB 总线时保持满电量，集成电路通过 USB 总线直接向负载输送功率，而不是从电池抽取功率。一旦电源被去掉，电流就通过一个内部低损耗理想二极管从电池流向负载，从而最大限度地降低了压降和功耗。参见图 1 以获得详细信息，该图是一个简化的开关电源通路方框图。理想二极管的正向压降远低于普通二极管或肖特基二极管的正向压降，因此最大限度地提高了能量传送效率，而且反向漏电流也较小。微小的正向压降减少了功耗和自热，延长了电池寿命。

开关电源通路系统

第一代 USB 充电系统应用直接在 USB 端口和电池之间设置限流的电池充电器，电池直接给系统供电。第二代线性 USB 充电系统在 USB 端口和电池之间产生一个中间电压 (电源通路系统)。新的第三代 USB 充电系统具有基于开关模式的拓扑。此类电源通路器件从一个符合 USB 规格的降压型开关稳压器产生一个中间总线电压，该电压被调节至一个高于电池电压的固定电压，参见图 1。这种形式的自适应输出控制被凌力尔特公司称为 Bat-TrackTM (电池跟踪)。稳定的中间电压仅调节到足够通过线性充电器恰当充电的电压值。不过，通过以这种方式跟踪电池电压，最大限度地减小了线性电池充电器中的功耗，提高了效率，并最大限度地提高了负载可用功率。另外，平均开关输入电流限制最大限度地提高了利用 USB 电源提供全部 2.5W 功率的能力。可选外部 PFET 降低理想二极管的阻抗，以实现较低的热量损耗。这种架构对具有大电池 (>1.5Ahr) 的系统而言是“必须”的。


图 1  简化的开关电源通路电路

LTC3555：基于开关电源通路管理器的电源管理集成电路

LTC3555 电源管理集成电路将 USB 开关电源通路管理器和锂离子电池充电器与 3 个同步降压型稳压器和 LDO 结合在一起，采用小型 28 引脚 (4mm x 5mm) QFN 封装，可提供完整的电源解决方案 (参见图 2)。



图 2  LTC3555 简化方框图


恒定电流、恒定电压锂离子/聚合物电池充电器利用电池跟踪功能，通过产生自动跟踪电池电压的输入电压，最大限度地提高电池充电器的效率。独立自主工作无需外部微处理器实现充电终止。由于节省了功率，因此 LTC3555 允许 VOUT 上的负载电流超过 USB 端口吸取的电流，而不会超出 USB 负载规格；因此可从 USB 端口获得 700mA 充电电流，实现了快速充电 (参见图 3)。I2C 串行接口使得系统设计师能够彻底控制充电器和降压型稳压器，以实现在广泛的应用中改变工作模式这种终极适应性。LTC3555 的 3 个用户可配置降压型 DC/DC 转换器能够向低至 0.8V 输出电压提供 0.4A、0.4A 和 1A 输出电流，在输出电压高于 1.8V 时，以 100% 占空比工作并具有高达 92% 的效率。突发模式 (Burst Mode) 工作以每个稳压器仅为 35uA 的静态电流 (停机时 < 1uA) 优化了轻负载时的效率，2.25MHz 高开关频率允许使用高度不到 1mm 的纤巧低成本电容器和电感器。另外，稳压器用陶瓷输出电容器可稳定，实现了非常低的输出电压纹波。这个器件还提供始终接通 3.3V LDO 稳压器输出，能够为如实时时钟或按钮监视器等系统提供 25mA 电流。



图 3  从US 获得的LTC3555高效开关模式电源转换充电电流允许从独立USB端口获得高于700mA的充电电流

结语

电池供电型产品的设计师面临着产品小尺寸、输入电源便利性和灵活性、高效率充电、低热损耗和 USB 兼容性这些需求所带来的挑战。同时，设计集成度日益提高以节省电路板空间、降低制造成本并提高产品可靠性。凌力尔特公司不断成长以及基于电源通路管理器的电源管理集成电路系列使得产品设计师的工作轻松了许多。这些集成电路能够从 USB 端口抽取更多功率，无缝管理不同输入电源、电池和负载之间的电源流动，减少了热量，并通过 Bat-Track 自适应输出控制提高充电效率，提供低输出电压系统电源轨，而且可利用较少的外部组件简化设计。这些集成电路还为由电池供电型便携式电子产品的最终用户带来了其它益处，如 USB 充电便利性和便携性、电池没电或缺失时提供系统电源、以及快速充电。

参考文献：

1.  Steve Knoth，电源通路管理器集成电路提供高压保护，电子产品世界，2008.6