電源管理：新型USB電源解決方案

為了簡化從電池或USB電纜吸取功率的工作，凌力爾特公司提供了多款器件。這些器件可對AC適配器、USB 電纜和鋰離子電池之間的功率流進(jìn)行無縫管理，并維持與USB電源規(guī)范的相符性。當(dāng)電池容量增加時，電池充電器必須通過穩(wěn)定地提升效率來與之保持同步，以最大限度地減少熱問題和充電時間?；赨SB的電池充電器必須從USB獲取盡可能多的功率，而且，為了滿足當(dāng)今功率密集型應(yīng)用嚴(yán)格的空間和熱約束條件，這種功率吸取過程必須高效地完成。

LTC3555把一個USB開關(guān)電源管理器和電池充電器與三個同步降壓型穩(wěn)壓器和一個LDO整合在一起，以在一個小外形(4mm x 5mm)封裝中提供一款完整的電源解決方案(圖1)。這款恒定電流、恒定電壓鋰離子/聚合物電池充電器運(yùn)用了Bat-Track功能，通過產(chǎn)生一個自動跟蹤電池電壓的輸入電壓，以最大限度地提高電池充電器的效率 (見下文)。一個I2C串行接口使系統(tǒng)設(shè)計(jì)師擁有了對充電器和DC/DC降壓型穩(wěn)壓器進(jìn)行全面控制的能力，旨在對眾多應(yīng)用中不斷變化的工作模式實(shí)現(xiàn)最大的適應(yīng)性。

圖 1：一體化 USB 電源解決方案集成了開關(guān)電源管理器、電池充電器、三個同步降壓型穩(wěn)壓器和 LDO

開關(guān)電源通路控制器最大限度地增加

系統(tǒng)負(fù)載的可用功率 LTC ?3555 在早幾代 USB 電池充電器的基礎(chǔ)上進(jìn)行了 改進(jìn)，增加了一些新的功能。它采用了一種專有開關(guān) 電源管理器，能夠以盡可能高的效率從一個電流受限 的 USB 端口吸取功率，同時保持與平均輸入電流規(guī) 格的相符性。它利用其 Bat-Track 功能最大限度地減 少了線性充電器中的功率損失。

第一代 USB 應(yīng)用直接在 USB 端口和電池之間實(shí)現(xiàn)電 流受限的電池充電器，此時由電池電壓來給系統(tǒng)供 電。這被稱為電池饋電系統(tǒng)。在電池饋電系統(tǒng)中， 可用系統(tǒng)功率為 IUSB ? VBAT，因?yàn)?VBAT 是系統(tǒng)負(fù)載 僅有的可用電壓。當(dāng)電池電壓很低時，幾乎一半的 可用功率將在線性電池充電器元件的內(nèi)部作為熱量 而被消耗掉。

第二代 USB 充電器在 USB 端口和電池之間產(chǎn)生了 一個中間電壓。這種中間總線電壓拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)被稱為PowerPath?系統(tǒng)。在 PowerPath IC 中，於 USB 端口和中間電壓之間布設(shè)了一個電流限制開關(guān)。中間電壓 VOUT 負(fù)責(zé)給線性電池充電器和系統(tǒng)負(fù)載供電。通過采用中間總線電壓拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，使得電池與系統(tǒng)負(fù)載隔離，同時可有效地執(zhí)行充電操作。由於一旦電源被加至電路，中間電壓即可供系統(tǒng)負(fù)載之用 (這與電池的狀態(tài)無關(guān))，因此 PowerPath 系統(tǒng)具有一個額外的優(yōu)點(diǎn)，就是“即時接通”。在 PowerPath 系統(tǒng)中，可以把 USB 端口所提供的 2.5W 可用功率中的更多功率輸送至系統(tǒng)負(fù)載，只要不超過輸入電流限值即可。雖然 PowerPath 系統(tǒng)在電池饋電系統(tǒng)的基礎(chǔ)上有所改進(jìn)，不過，如果電池電壓很低，則仍然可能有大量的功率會在線性電池充電器元件中被損失掉。

LTC3555 是首款面市的第三代 USB PowerPath 充電器 IC。這些 PowerPath 器件從一個符合 USB 規(guī)范的降壓型穩(wěn)壓器產(chǎn)生一個中間總線電壓，在電池電壓范圍內(nèi)，該電壓將被調(diào)節(jié)至一個固定值 (Bat-Track 功能)。已調(diào)中間電壓剛好高至足以允許通過線性充電器進(jìn)行正確的充電操作。通過以這種方式來跟蹤電池電壓，線性電池充電器中的功率損失被減至最低，效率得以提升，而且負(fù)載的可用功率實(shí)現(xiàn)了最大化。

圖 2 對比了采用開關(guān)和線性 PowerPath 系統(tǒng)充電器的效率和功率節(jié)省情況。當(dāng)對大電池進(jìn)行充電時，功率節(jié)省的多少將造成一個器件運(yùn)行在熱限制條件下還是工作於低溫條件下的分別。

圖 2：開關(guān) PowerPath 電池充電器與線性充電器的 效率和功率節(jié)省情況對比。(VBUS = 5V，5x 模式，RCLPROG = 2.94k，RPROG = 1k、在 VBAT = 2.8V 時 的 IBAT = 0.7A)

在單個 IC 中的完整電源解決方案

LTC3555 還包括三個可由用戶來配置的降壓型 DC/DC 轉(zhuǎn)換器，它們能夠分別提供 0.4A、0.4A 和 1A 電流。穩(wěn)壓器 1 具有一個 0.8V 的固定基準(zhǔn)電壓，而穩(wěn)壓器 2 和 3 則可通過 I2C 接口使其基準(zhǔn)電壓在 0.8V 至 0.425V 的范圍內(nèi)改變。所有的轉(zhuǎn)換器均在一個 2.25MHz 的開關(guān)頻率條件下工作，因而允許使用小的無源元件，并在輸出電壓高於 1.8V 的條件下維持高達(dá) 92% 的效率 (見圖 3)。全部三個穩(wěn)壓器都可通過 I2C 端口或 I/O 引腳設(shè)置在脈沖跳躍模式工作、突發(fā)模式 (Burst Mode?) 操作或 LDO 模式工作。在突發(fā)模式操作中，輸出紋波幅度略有增加，且開關(guān)頻率隨負(fù)載電流而變化，旨在提高輕負(fù)載條件下的效率。如果噪聲是一個必需考慮的問題，那麼可以將所有的穩(wěn)壓器均設(shè)定為工作於 LDO 模式或脈沖跳躍模式。該器件還提供了一個始終保持接通的 3.3V 輸出，該輸出能夠提供 25mA 的電流，以滿足諸如實(shí)時時鐘或按鈕監(jiān)視器等系統(tǒng)需求。

圖 3：采用突發(fā)模式操作的開關(guān)穩(wěn)壓器 1 和 穩(wěn)壓器 2 的效率

結(jié)論

LTC3555 是一款先進(jìn)且完整的單芯片電源解決方案。由於采用了第三代 PowerPath 電源管理技術(shù)，再加上發(fā)熱量和電池充電時間均有所減少，因而使其非常適合於未來的高密度、多功能電池供電型產(chǎn)品。通過集成三個 I2C 控制、高效率降壓型 DC/DC 轉(zhuǎn)換器，LTC3555 為系統(tǒng)設(shè)計(jì)師提供了全面的靈活性以適應(yīng)不斷變化的需要和工作模式。