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(duì)于消費(fèi)類(lèi)手持式設(shè)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(dǎo)航裝置、數(shù)碼相機(jī)和MP3播放機(jī)中。AA電池購(gòu)買(mǎi)方便、成本較低、而且具有高功率密度。在這些便攜式設(shè)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(xiàn)（用于數(shù)據(jù)傳輸）作為電池電源的補(bǔ)充。USB總線(xiàn)還可被用來(lái)供電。問(wèn)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(shí)現(xiàn)無(wú)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(shí)現(xiàn)AC交流適配器、USB和兩節(jié)AA電池之間功率通量的無(wú)縫管理，并符合USB電源標(biāo)準(zhǔn)，所有這些功能均集成在一個(gè)4mm x 4mm QFN封裝之內(nèi)（圖1）。該器件生成了兩個(gè)單獨(dú)的電源軌：一個(gè)3.3V（固定）主電源和一個(gè)1.8V（可調(diào)）內(nèi)核電源。此外，LTC3456還包含一個(gè)全功能USB電源管理器、一個(gè)用于給存儲(chǔ)插件供電的熱插拔（Hot Swap）輸出和一個(gè)適合用作低電池電量比較器或LDO控制器的獨(dú)立增益部件。該器件還生成了一個(gè)始終處于運(yùn)行狀態(tài)的VMAX輸出，該輸出適合于為諸如實(shí)時(shí)時(shí)鐘等即使在停機(jī)期間也必需處于工作狀態(tài)的關(guān)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(gè)工作效率高達(dá)92%的高效1MHz固定頻率開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器。圖2示出了LTC3456的一種典型應(yīng)用。便攜式應(yīng)用中所使用的大多數(shù)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(nèi)核）。此外，處理器還有可能要求電源以一種特定的順序啟動(dòng)，以防止發(fā)生處理器閉鎖或錯(cuò)誤起動(dòng)。通常，內(nèi)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(gè)1.8V輸出（用于處理器內(nèi)核）、一個(gè)3.3V輸出（用于I/O）、一個(gè)3.3V熱插拔電源（用于存儲(chǔ)插件）和一個(gè)VMAX輸出（用于RTC）。

LTC3456具有用于內(nèi)核和主輸出的內(nèi)置電源排序功能。上電時(shí)，VINT輸出（一個(gè)固定的3.3V電源）率先執(zhí)行上電操作。它負(fù)責(zé)向大部分內(nèi)部電路供電。應(yīng)對(duì)該輸出端上的外部負(fù)載大小加以限制。可調(diào)范圍為0.8V至1.8V的內(nèi)核輸出隨后上升，接著是VMAIN輸出。VMAIN輸出（一個(gè)固定的3.3V電源）在內(nèi)核輸出進(jìn)入調(diào)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(guò)一個(gè)內(nèi)部0.4Ω（典型值）PMOS開(kāi)關(guān)而產(chǎn)生，并可被用來(lái)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(shí)鐘的穩(wěn)定和內(nèi)部寄存器的裝載提供了充足的時(shí)間。

LTC3456產(chǎn)生了一個(gè)可調(diào)范圍為0.8V至1.8V的內(nèi)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(nèi)核輸出的工作占空比達(dá)到100%。當(dāng)內(nèi)核輸出由電池來(lái)供電時(shí)，它提供了低壓降操作，從而延長(zhǎng)了電池的使用壽命。當(dāng)由電池供電時(shí)，主轉(zhuǎn)換器和內(nèi)核轉(zhuǎn)換器均提供了突發(fā)模式操作（可利用MODE引腳來(lái)選擇），因而在輕負(fù)載條件下實(shí)現(xiàn)了高效率。在采用電池供電的情況下，內(nèi)核轉(zhuǎn)換器具有超過(guò)92%的效率。當(dāng)由USB/墻上電源來(lái)供電時(shí)，突發(fā)模式操作被停用。當(dāng)由USB來(lái)供電時(shí)，主轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)了高達(dá)90%的效率。

LTC3456具有一個(gè)適于為閃存卡供電的內(nèi)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(jìn)行存儲(chǔ)插件的帶電插拔。它具有一個(gè)適合向閃存卡供電的120mA（典型值）內(nèi)置電流限值。

LTC3456提供了針對(duì)主輸出和內(nèi)核輸出的短路保護(hù)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(jī)模式中，內(nèi)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(lái)提供1mA的最大輸出電流。即使在IC處于停機(jī)模式的情況下，VMAX輸出也將保持運(yùn)行狀態(tài)，因而適于向?qū)崟r(shí)時(shí)鐘等關(guān)鍵系統(tǒng)部件供電。

PowerPath控制

LTC3456包含一個(gè)專(zhuān)有的PowerPath控制電路，可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)電源之間的無(wú)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(nèi)部電源通路的簡(jiǎn)化方框圖。AC適配器和USB總線(xiàn)通過(guò)VEXT引腳向開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器供電。LTC3456包含一個(gè)全功能USB電源管理器，以利用USBHP和SUSPEND引腳的狀態(tài)來(lái)控制來(lái)自USB引腳的功率通量。流經(jīng)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(guò)把SUSPEND引腳拉至高電平可停用所有的USB功能。

 
圖3  用于說(shuō)明內(nèi)部PowerPath的LTC3456簡(jiǎn)化方框圖。 

當(dāng)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(duì)USB/墻上電源（4V至5.5V）進(jìn)行降壓操作以生成相同電壓時(shí)，DC-DC轉(zhuǎn)換將是一項(xiàng)特別具有挑戰(zhàn)性的工作。LTC3456通過(guò)BOOST和BUCK2轉(zhuǎn)換器完成了這項(xiàng)任務(wù)。這是生成3.3V電源軌最為有效的方式。當(dāng)從電池或USB/交流適配器來(lái)生成3.3V輸出時(shí)，LTC3456實(shí)現(xiàn)了高于90%的效率。內(nèi)核輸出（1.8V）是通過(guò)BUCK1（由USB/墻上電源來(lái)供電）和BUCK3（由電池來(lái)供電）轉(zhuǎn)換器來(lái)生成的。LTC3456的獨(dú)特拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可利用單個(gè)電感器來(lái)生成1.8V電源軌，從而節(jié)省了成本和空間。當(dāng)從電池來(lái)生成1.8V輸出時(shí)，它實(shí)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(shè)備需要實(shí)現(xiàn)從電池電源至USB或墻上電源的無(wú)縫切換（反之亦然）以確保平穩(wěn)的系統(tǒng)運(yùn)作。例如，一位用戶(hù)正在一個(gè)連接了USB電纜的便攜式MP3播放機(jī)上播放音樂(lè)。如果USB電纜被猛然從設(shè)備上拉脫，則用戶(hù)應(yīng)能夠繼續(xù)聆聽(tīng)音樂(lè)，而不會(huì)覺(jué)察到任何中斷現(xiàn)象。LTC3456通過(guò)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)電源的無(wú)縫切換而使這種愿望成為可能。當(dāng)SUSPEND引腳被從低電平拉至高電平時(shí)，USB電源不可用。主輸出和內(nèi)核輸出在切換時(shí)均呈現(xiàn)出小于