采用4mm x 4mm QFN封裝的完整兩節(jié)AA電池/USB電源管理器

引言

對于消費類手持式設備而言，歷史悠久的兩節(jié)AA（堿性或鎳氫電池）電源便是其最常用的電池解決方案，尤其是在GPS導航裝置、數碼相機和MP3播放機中。AA電池購買方便、成本較低、而且具有高功率密度。在這些便攜式設備中，有許多都采用了插入式交流適配器，并提供了一根USB總線（用于數據傳輸）作為電池電源的補充。USB總線還可被用來供電。問題是如何在這三種截然不同的電源（兩節(jié)AA電池、交流適配器和USB）之間實現(xiàn)無縫切換。LTC3456便是一款適合的解決方案。

LTC3456是一款完整的系統(tǒng)電源IC，可實現(xiàn)AC交流適配器、USB和兩節(jié)AA電池之間功率通量的無縫管理，并符合USB電源標準，所有這些功能均集成在一個4mm x 4mm QFN封裝之內（圖1）。該器件生成了兩個單獨的電源軌：一個3.3V（固定）主電源和一個1.8V（可調）內核電源。此外，LTC3456還包含一個全功能USB電源管理器、一個用于給存儲插件供電的熱插拔（Hot Swap）輸出和一個適合用作低電池電量比較器或LDO控制器的獨立增益部件。該器件還生成了一個始終處于運行狀態(tài)的VMAX輸出，該輸出適合于為諸如實時時鐘等即使在停機期間也必需處于工作狀態(tài)的關鍵部件輸送功率。

圖1  LTC3456是一款采用微型4mm x 4mm封裝的完整系統(tǒng)電源管理IC。

LTC3456

LTC3456包含四個工作效率高達92%的高效1MHz固定頻率開關穩(wěn)壓器。圖2示出了LTC3456的一種典型應用。便攜式應用中所使用的大多數處理器都需要雙電源電壓。這些電壓可以是3.3V（用于I/O電路）和1.5V或1.8V（用于處理器內核）。此外，處理器還有可能要求電源以一種特定的順序啟動，以防止發(fā)生處理器閉鎖或錯誤起動。通常，內核電源必須在I/O電源之前上升。

 

圖2  基于LTC3456的完整電源解決方案，包括一個1.8V輸出（用于處理器內核）、一個3.3V輸出（用于I/O）、一個3.3V熱插拔電源（用于存儲插件）和一個VMAX輸出（用于RTC）。

LTC3456具有用于內核和主輸出的內置電源排序功能。上電時，VINT輸出（一個固定的3.3V電源）率先執(zhí)行上電操作。它負責向大部分內部電路供電。應對該輸出端上的外部負載大小加以限制。可調范圍為0.8V至1.8V的內核輸出隨后上升，接著是VMAIN輸出。VMAIN輸出（一個固定的3.3V電源）在內核輸出進入調節(jié)狀態(tài)之后延遲0.8ms（典型值）上電。VMAIN輸出由VINT輸出通過一個內部0.4Ω（典型值）PMOS開關而產生，并可被用來向I/O電路供電。0.8ms延遲為處理器在外圍電路上電之前完成系統(tǒng)時鐘的穩(wěn)定和內部寄存器的裝載提供了充足的時間。

LTC3456產生了一個可調范圍為0.8V至1.8V的內核輸出，該輸出適于為新型低電壓處理器（ARM等等）供電。LTC3456控制電路允許內核輸出的工作占空比達到100%。當內核輸出由電池來供電時，它提供了低壓降操作，從而延長了電池的使用壽命。當由電池供電時，主轉換器和內核轉換器均提供了突發(fā)模式操作（可利用MODE引腳來選擇），因而在輕負載條件下實現(xiàn)了高效率。在采用電池供電的情況下，內核轉換器具有超過92%的效率。當由USB/墻上電源來供電時，突發(fā)模式操作被停用。當由USB來供電時，主轉換器實現(xiàn)了高達90%的效率。

LTC3456具有一個適于為閃存卡供電的內置熱插拔輸出。該熱插拔輸出具有短路和反向電壓隔離功能。它允許在系統(tǒng)上進行存儲插件的帶電插拔。它具有一個適合向閃存卡供電的120mA（典型值）內置電流限值。

LTC3456提供了針對主輸出和內核輸出的短路保護功能。它還為所有的輸出（VMAX輸出除外）提供了輸出斷接功能。在停機模式中，內核輸出、主輸出和熱插拔輸出均被放電至地。在VBATT、VINT、VEXT和USB電壓中，VMAX輸出是最高的。該輸出可被用來提供1mA的最大輸出電流。即使在IC處于停機模式的情況下，VMAX輸出也將保持運行狀態(tài)，因而適于向實時時鐘等關鍵系統(tǒng)部件供電。

PowerPath控制

LTC3456包含一個專有的PowerPath控制電路，可實現(xiàn)系統(tǒng)電源之間的無縫切換（從兩節(jié)AA電池至USB/墻上電源，反之亦然）。圖3示出了內部電源通路的簡化方框圖。AC適配器和USB總線通過VEXT引腳向開關穩(wěn)壓器供電。LTC3456包含一個全功能USB電源管理器，以利用USBHP和SUSPEND引腳的狀態(tài)來控制來自USB引腳的功率通量。流經USB引腳的電流被精確地限制為100mA或500mA（視USBHP引腳的狀態(tài)而定）。通過把SUSPEND引腳拉至高電平可停用所有的USB功能。

 
圖3  用于說明內部PowerPath的LTC3456簡化方框圖。 

當必須提升兩節(jié)AA電池電壓（1.8V至3.2V）以生成3.3V輸出、以及必須對USB/墻上電源（4V至5.5V）進行降壓操作以生成相同電壓時，DC-DC轉換將是一項特別具有挑戰(zhàn)性的工作。LTC3456通過BOOST和BUCK2轉換器完成了這項任務。這是生成3.3V電源軌最為有效的方式。當從電池或USB/交流適配器來生成3.3V輸出時，LTC3456實現(xiàn)了高于90%的效率。內核輸出（1.8V）是通過BUCK1（由USB/墻上電源來供電）和BUCK3（由電池來供電）轉換器來生成的。LTC3456的獨特拓撲結構可利用單個電感器來生成1.8V電源軌，從而節(jié)省了成本和空間。當從電池來生成1.8V輸出時，它實現(xiàn)了92%以上的效率。表1列出了LTC3456不同的工作模式。
 
便攜式設備需要實現(xiàn)從電池電源至USB或墻上電源的無縫切換（反之亦然）以確保平穩(wěn)的系統(tǒng)運作。例如，一位用戶正在一個連接了USB電纜的便攜式MP3播放機上播放音樂。如果USB電纜被猛然從設備上拉脫，則用戶應能夠繼續(xù)聆聽音樂，而不會覺察到任何中斷現(xiàn)象。LTC3456通過實現(xiàn)系統(tǒng)電源的無縫切換而使這種愿望成為可能。當SUSPEND引腳被從低電平拉至高電平時，USB電源不可用。主輸出和內核輸出在切換時均呈現(xiàn)出小于