電源通路管理集成電路的優(yōu)點

主要設(shè)計難題

在很多情況下，能夠用USB端口給電池充電為用戶提供了更大的方便。但是，USB規(guī)范對USB電流有一定限制。一個基于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，以滿足今天的電源密集型應(yīng)用在空間和熱量方面的嚴格要求。

管理電源通路是另一個問題。很多由電池供電的便攜式電子產(chǎn)品可以用交流適配器、汽車適配器、USB端口或鋰離子/聚合物電池供電。不過，自主管理這些電源、負載和電池之間的電源通路帶來了巨大的技術(shù)挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)上，設(shè)計師們一直嘗試用少量MOSFET、運算放大器和其他分立組件實現(xiàn)這一功能，但是一直面臨著熱插拔、大浪涌電流等問題，這些問題可能引起更嚴重的系統(tǒng)可靠性問題。

便攜式消費類電子產(chǎn)品常常采用鋰離子電池和鋰離子聚合物電池，因為這類電池的能量密度相對較高──與使用其他可用化學(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。隨著便攜式產(chǎn)品變得越來越復(fù)雜，對較高容量電池的需求也越來越大了，也就要求配備更先進的電池充電器。大多數(shù)消費者希望充電時間較短，因此提高充電電流似乎是可取的。但是，提高充電電流帶來了兩大問題。首先，就線性充電器而言，電流增大會增加功耗（也就是熱量）。其次，根據(jù)主控制器協(xié)商好的模式，充電器必須將從5V USB總線吸取的電流限制到100mA（500mW）或500mA（2.5W）。這種高效率充電，加之電池充電器集成電路必須實現(xiàn)高水平的功能集成以及節(jié)省電路板空間和提高產(chǎn)品可靠性的需求，都給設(shè)計由電池供電的電子產(chǎn)品帶來了壓力。

總之，系統(tǒng)設(shè)計師面臨的主要挑戰(zhàn)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。
● 最大限度地提高效率。
● 減小占板面積和高度。

集成式電源管理器集成電路可以簡單輕松地解決這些問題。

電源通路控制與理想二極管

電源通路控制功能能夠自主和無縫地管理各種不同輸入源之間的電源通路，如USB、交流適配器和電池之間的電源通路，并向負載供電。電源通路控制允許最終產(chǎn)品接電后立即工作，而不必考慮電池的充電狀態(tài)，這稱作“即時接通”工作。一個具有電源通路控制功能的器件既為自身供電，又用USB總線或交流適配器電源為單節(jié)鋰離子/聚合物電池充電。為了確保一個滿充電電池在連接總線時保持滿電量，具有電源通路控制功能的集成電路通過USB總線向負載輸送功率，而不是從電池抽取功率。一旦電源被去掉，電流就通過一個內(nèi)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。

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，理想二極管的反向電流泄漏也可以更小。微小的正向壓降減少了功耗和自熱，延長了電池壽命（見圖1）。

圖1 簡化的電源通路控制電路

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，可高效管理多種輸入電源，為電池充電，向負載供電并降低功耗，所有這一切都是在一個外形尺寸極小的集成電路中實現(xiàn)的。電源通路控制電路可以采用線性或開關(guān)拓撲，這兩種拓撲對系統(tǒng)而言都有各自的優(yōu)點。后面將評介這兩種架構(gòu)，而較傳統(tǒng)的線性“充電器饋送型”系統(tǒng)將作為性能比較的基礎(chǔ)來介紹。

線性充電器饋送型系統(tǒng)

第一代USB系統(tǒng)直接在USB端口和電池之間插入限流電池充電器，由電池為系統(tǒng)供電。在這種“電池饋送型”系統(tǒng)中，可用系統(tǒng)功率可以表示為I_USBV_BAT，因為V_BAT是系統(tǒng)負載唯一可用的電壓（見圖2）。輸入電流約等于充電電流，因此無須附加輸入限流。系統(tǒng)負載直接連接到電池上，不需要理想二極管。所受到的一些限制包括：低效率；從USB吸取的電流限制到500mA；電池沒電或缺失（以及電池電壓低）時，沒有系統(tǒng)電源；將近一半的可用功率損失在線性電池充電器單元內(nèi)。

圖2 簡化的“電池饋送型”控制電路

線性電源通路系統(tǒng)

第二代USB充電系統(tǒng)在USB端口和電池之間采用了中間電壓。這種中間總線電壓拓撲稱為電源通路系統(tǒng)。在電源通路集成電路中，USB端口和中間電壓V_OUT之間放置了一個限流開關(guān)。V_OUT為線性電池充電器和系統(tǒng)負載供電。這種系統(tǒng)的優(yōu)點是，電池與系統(tǒng)負載之間被隔斷了，因此一有機會就可以進行充電（見圖3）。該電源通路系統(tǒng)還實現(xiàn)了“即時接通”工作，因為電源一加到電路上，中間電壓就可用于系統(tǒng)負載。這允許最終產(chǎn)品一插電就立即工作，而不論電池的充電狀態(tài)如何。在線性電源通路系統(tǒng)中，只要未超過輸入電流限制，那么USB端口提供的2.5W功率的大部分就可由系統(tǒng)負載獲得。因此，與電池饋送型系統(tǒng)相比，線性電源通路系統(tǒng)具有極大的優(yōu)點。但是，仍有很多功率損失在線性電池充電器單元中，尤其是電池電壓較低時（輸入電壓和電池電壓之間產(chǎn)生大的電壓差）更是這樣。注意，就個別的交流適配器（或高壓）輸入通路而言，可能會做些調(diào)節(jié)，就以較高效率工作而言，一個可選外部PFET可以降低理想二極管的阻抗。

圖3 簡化的線性電源通路電路

開關(guān)電源通路系統(tǒng)

新的第三代USB充電系統(tǒng)具有基于開關(guān)模式的拓撲。此類電源通路型器件從一個符合USB規(guī)格的降壓型開關(guān)穩(wěn)壓器產(chǎn)生一個中間總線電壓，該電壓被調(diào)節(jié)至電池電壓范圍內(nèi)的某一固定數(shù)值（見圖4）。這種形式的自適應(yīng)輸出控制稱為Bat-Track^TM(電池跟蹤)。穩(wěn)定的中間電壓僅調(diào)節(jié)到足夠傳給線性充電器恰夠充電的電壓值。通過這種方式跟蹤電池電壓，最大限度地減小了線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。平均開關(guān)輸入電流限制最大限度地提高了利用USB電源提供的全部2.5W功率的能力，可選外部PFET則降低理想二極管的阻抗。這種架構(gòu)對具有大電池（>1.5Ah）的系統(tǒng)而言是“必須”的。像線性電源通路配置一樣，開關(guān)電源通路系統(tǒng)也提供“即時接通”工作。

圖4 簡化的開關(guān)電源通路電路

解決方案

很多公司都推出了單片鋰離子/聚合物開關(guān)電源通路管理器，凌力爾特公司的LTC4088就是其中一種。它能提供1.5A充電電流，適用于快速充電應(yīng)用。該器件具有同步整流、“即時接通”工作和Bat-Track自適應(yīng)輸出控制能力，可實現(xiàn)高效率工作。LTC4088的電源通路控制功能和開關(guān)模式架構(gòu)最大限度地提高了可從USB獲得的功率，而且低阻抗“理想二極管”MOSFET產(chǎn)生熱量較少。由于節(jié)省了功率，因此LTC4088允許V_OUT端的負載電流超過從USB端口吸取的電流而不會超過USB負載規(guī)范（見圖5）。其扁平14引腳、3mm4mm DFN封裝和很少的外部組件可為媒體播放器、智能電話、數(shù)碼相機、手持式計算機和GPS系統(tǒng)組成簡單、緊湊和經(jīng)濟的解決方案。
高效率開關(guān)模式電源轉(zhuǎn)換允許標(biāo)準(zhǔn)USB端口提供高于700mA的充電電流(不是限制到500mA，而是限制到大約2.3W)，LTC3555就是這樣的產(chǎn)品。該PMIC將USB開關(guān)電源通路管理器和電池充電器與3個同步降壓型穩(wěn)壓器和LDO結(jié)合在一起，采用小型28引腳（4mm5mm）QFN封裝，可提供完整的電源解決方案（見圖6）。

圖5 從USB獲得的LTC4088充電電流

圖6 LTC3555方框圖

恒定電流、恒定電壓鋰離子/聚合物電池充電器利用電池跟蹤功能，通過產(chǎn)生自動跟蹤電池電壓的輸入電壓，最大限度地提高電池充電器的效率。I2C串行接口使得系統(tǒng)設(shè)計師能夠徹底控制充電器和降壓型穩(wěn)壓器，在廣泛的應(yīng)用中改變工作模式。

LTC3555的3個用戶可配置降壓型DC/DC轉(zhuǎn)換器能夠向 0.8V輸出提供0.4A、0.4A和1A電流，在輸出電壓高于1.8V時，具有高達92%的效率。這個器件還提供始終接通3.3V輸出，能夠為實時時鐘或按鈕監(jiān)視器等系統(tǒng)提供25mA電流。