電源管理IC優(yōu)化了一流的電路模塊

對于通過提高多種分立電源IC的集成度來節(jié)省PC板級空間的需求是催生PMIC的主要原因。在過去的5～10年時(shí)間里，這些SoC型IC已經(jīng)成為了很普通的產(chǎn)品。然而，它們的外形尺寸相當(dāng)大，而且對于設(shè)計(jì)師來說，還存在著“隱性”成本和性能局限。

不過，如今已經(jīng)有了更加優(yōu)化的解決方案，如凌力爾特公司開發(fā)的新一代PMIC。這些IC集合了“難以完成”的功能電路模塊功能，如電源路徑管理、高效同步開關(guān)穩(wěn)壓器、USB On-the-Go、過壓保護(hù)、高電壓輸入和全功能電池充電器等。其小外形、扁平QFN封裝和極少的外部組件造就了適合手持式電子設(shè)備(特別是那些利用USB電源的設(shè)備)的簡單、緊湊且具成本效益的解決方案。同時(shí)，它們在其他市場空間里同樣擁有屬于自己的一片天地！
　　
圍繞“過度集成化”進(jìn)行設(shè)計(jì)
有些PMIC雖然可以節(jié)省板級空間，但對設(shè)計(jì)師而言，其中的很多IC隱性成本高，需要額外的設(shè)計(jì)時(shí)間，并存在性能局限。業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)的PMIC外形較大，會產(chǎn)生大量的局部熱量，且含有許多并非應(yīng)用所必需的功能，從而增加了復(fù)雜性。在很多設(shè)計(jì)場合中，即使集成是絕對必要的，設(shè)計(jì)師也別無選擇，只能為額外的功能“買單”(即便他們將僅使用芯片全部功能的一部分)。雖然采用多個(gè)IC加一個(gè)分立組件的方法是業(yè)已運(yùn)用的替代方案，但這種做法會占用較多的板級空間、造成成本上升、增加制造復(fù)雜性，并導(dǎo)致材料用量的增多。

減少熱量
許多業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)PMIC都具有多種板載線性穩(wěn)壓器。然而，如果未能利用足夠的銅走線、散熱器或設(shè)計(jì)精良的輸入/輸出電壓和輸出電流水平來對線性穩(wěn)壓器進(jìn)行正確的管理，則其將會在PC板上產(chǎn)生大量的局部熱量或“熱點(diǎn)”。另一方面，當(dāng)輸入/輸出差分電壓或輸出電流很高時(shí)，開關(guān)穩(wěn)壓器可以提供一種更加有效的降壓和電壓轉(zhuǎn)換方法。在具有板載低電壓微處理器的多功能設(shè)備中，這是很常見的。因此，實(shí)現(xiàn)用于大多數(shù)電壓軌的開關(guān)模式電源的必要性正在日益增加。此外，線性電池充電器可能是另一個(gè)發(fā)熱源 (取決于輸入電壓與電池電壓之差和充電電流)。原則上，就功耗而言，線性充電器相當(dāng)于線性穩(wěn)壓器。因此，在同一塊芯片上集成LDO和線性充電器有可能產(chǎn)生熱問題，需要采取相應(yīng)的對策來解決。

從單節(jié)鋰離子電池產(chǎn)生中間電壓軌
如今的許多時(shí)尚型多功能便攜式電子產(chǎn)品仍然需要+3.3V左右的電壓軌，如用于給I/O或一個(gè)HDD供電。顯然，單靠LDO并不足以從單節(jié)鋰離子電池輸入來產(chǎn)生這些系統(tǒng)電壓，因?yàn)樗鼈兛赡苤贿M(jìn)行降壓操作。甚至連采用降壓型開關(guān)穩(wěn)壓器也可能不夠。那些利用整個(gè)鋰離子電池電壓范圍的應(yīng)用可能需要一個(gè)升降壓型穩(wěn)壓器，該穩(wěn)壓器能夠有效地提供一個(gè)固定的輸出電壓，而不管輸入是高于、低于還是等于該輸出。對于那些具有高脈動電流要求的系統(tǒng)來說，情況也是如此――在未接入一個(gè)大輸入電容器 (用于防止在VIN上產(chǎn)生壓降)的時(shí)候，降壓型穩(wěn)壓器或LDO會失去輸出調(diào)節(jié)作用。

多輸入電源的管理
在便攜手持式產(chǎn)品中管理功率通量并最大限度地減少發(fā)熱量是一項(xiàng)重大的設(shè)計(jì)難題。越來越多的便攜式電池供電型產(chǎn)品可以從低電壓電源，如5V墻上適配器、一個(gè)USB端口或鋰離子/鋰聚合物電池，以及高電壓電源來取電。在對這些輸入電源和電池之間的功率通量進(jìn)行自主管理的同時(shí)也要有效地向負(fù)載供電，這就產(chǎn)生重大的技術(shù)障礙。傳統(tǒng)上，在便攜手持式產(chǎn)品中管理功率通量并最大限度地減少發(fā)熱量是一項(xiàng)重大的設(shè)計(jì)難題。越來越多的便攜式電池供電型產(chǎn)品可以從低電壓電源，如5V墻上適配器、一個(gè)USB端口或鋰離子/鋰聚合物電池，以及高電壓電源來取電。在對這些輸入電源和電池之間的功率通量進(jìn)行自主管理的同時(shí)也要有效地向負(fù)載供電，這就產(chǎn)生重大的技術(shù)障礙。傳統(tǒng)上，為了實(shí)現(xiàn)該功能，設(shè)計(jì)師們采取的是分立型方法，即使用少量的MOSFET、運(yùn)算放大器和其他組件，但會面臨熱插拔、發(fā)熱量過大、大浪涌電流以及至負(fù)載的大瞬態(tài)電壓等難題。

從USB高效地吸取功率
USB技術(shù)提高了電子設(shè)備的便利性。如果能夠從USB端口來對設(shè)備進(jìn)行充電，將帶來很大的便利，并免除增設(shè)一個(gè)單獨(dú)墻上適配器之需。然而，當(dāng)把USB用于給設(shè)備的電池進(jìn)行充電時(shí)，存在著功率限制(最大可用功率為2.5W)。因此，電池充電器必須在不超過終端產(chǎn)品熱限度的情況下高效地從USB端口吸取功率。
　　
PowerPath控制
新型PMIC的一個(gè)重要的特點(diǎn)是PowerPath控制。這種自動負(fù)載優(yōu)先級處理提供了對多種輸入電源之間的功率通量進(jìn)行自主和無縫管理的能力，并優(yōu)先向系統(tǒng)負(fù)載供電。在傳統(tǒng)的電池饋電型充電系統(tǒng)中，用戶必須等待，直到存在足以獲取系統(tǒng)電源的電池充電和電壓電平為止。與此相反，PowerPath控制使得終端產(chǎn)品能夠在插上電源后立即運(yùn)作(而不管電池的充電狀態(tài)如何)，這通常被稱為“即時(shí)接通”操作。線性和開關(guān)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)都可以采用PowerPath控制電路。線性PowerPath拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)包括Bat-TrackTM自適應(yīng)輸出控制能力(利用一個(gè)外部高電壓降壓型穩(wěn)壓器來實(shí)現(xiàn))和熱性能的改善 (功率輸送至系統(tǒng)負(fù)載)。開關(guān)模式PowerPath技術(shù)保持了這些優(yōu)點(diǎn)，并改善了至負(fù)載/系統(tǒng)以及至電池的功率輸送效率。它消除了線性電池充電器組件中的功率損失（當(dāng)電池電壓很低和/或輸入功率有限時(shí)，這一點(diǎn)尤其關(guān)鍵），并使其擁有了卓越的熱特性。另一個(gè)重要的優(yōu)點(diǎn)是，在電池電壓很低的情況下，它能夠從一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的USB端口(～2.3W)吸取高達(dá)700mA的電池充電電流。表1概要羅列并比較了三種不同的USB充電系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

集成升降壓和升壓型穩(wěn)壓器能力
具有中高輸出電流的低電壓軌 (例如，用于給微處理器內(nèi)核供電并低至 0.8V的電壓軌) 可以高效地從同步降壓型穩(wěn)壓器產(chǎn)生。然而，許多時(shí)尚型多功能便攜式電子產(chǎn)品仍然需要一個(gè)+3V或+3.3V的中間電壓軌。通過把同步升降壓型開關(guān)操作能力集成到PMIC之中，可在整個(gè)鋰離子/鋰聚合物電池輸入范圍內(nèi)高效地提供3.3V穩(wěn)壓，從而增加了操作裕度。此外，同步升壓型穩(wěn)壓器還能夠以高于80%的上佳效率來實(shí)現(xiàn)至高于鋰離子電池電壓范圍的電壓軌“升壓”轉(zhuǎn)換。而且，高開關(guān)頻率減小了外部組件的尺寸，而采用陶瓷電容器則降低了輸出紋波。

較長的電池使用壽命和運(yùn)行時(shí)間
能否準(zhǔn)確地將鋰離子/鋰聚合物電池充電至其最終的浮動電壓，將對電池的使用壽命產(chǎn)生重要的影響。這是通過選擇一個(gè)具有嚴(yán)格浮動電壓準(zhǔn)確度并運(yùn)用準(zhǔn)確充電終止算法的合適電池充電IC來管理的，所有這些將最大限度地延長電池的運(yùn)行時(shí)間，而不會導(dǎo)致電池被過度充電。此外，低系統(tǒng)待機(jī)(靜態(tài))電流以及利用同步整流實(shí)現(xiàn)的高開關(guān)穩(wěn)壓器轉(zhuǎn)換效率產(chǎn)生了很小的系統(tǒng)電流消耗，從而進(jìn)一步地延長了電池的運(yùn)行時(shí)間。在輕負(fù)載條件下，突發(fā)模式(Burst Mode)操作將自動地減小開關(guān)穩(wěn)壓器靜態(tài)電流(Iq)，以幫助降低器件的電流消耗。

下面，我們將介紹兩個(gè)具體的實(shí)例。

LTC3586 PMIC
LTC3586 PMIC集成了1個(gè)開關(guān)PowerPath管理器、1個(gè)獨(dú)立型電池充電器、4個(gè)高效率同步開關(guān)穩(wěn)壓器(1個(gè)升降壓型、1個(gè)升壓型和2個(gè)降壓型穩(wěn)壓器)和1個(gè)始終保持接通的LDO，它們被全部整合在一個(gè)緊湊、扁平的38引腳4mm6mm QFN封裝中。

圖1 LTC3586的簡化方框圖

為了實(shí)現(xiàn)快速充電，LTC3586的開關(guān)輸入級將可從USB端口獲得的2.5W功率幾乎全部轉(zhuǎn)換成了充電電流，從而提供了高達(dá)700mA(從一個(gè)電流限值為500mA的USB電源)或高達(dá)1.5A(當(dāng)采用墻上適配器供電時(shí))的充電電流。LTC3586的升降壓型穩(wěn)壓器能夠提供高達(dá)1A的連續(xù)電流，并且非常適合于在整個(gè)鋰離子電池電壓范圍內(nèi)(低至2.7V輸入)對一個(gè)3.3V輸出進(jìn)行高效穩(wěn)壓。其兩個(gè)降壓型穩(wěn)壓器具有100%的工作占空比，而且各能提供400mA的輸出電流，并具有低至0.8V的可調(diào)輸出電壓。升壓型穩(wěn)壓器能夠提供至少800mA的輸出電流，且具有一個(gè)高達(dá)5V的可編程輸出。LTC3586的內(nèi)部低RDS(ON)開關(guān)實(shí)現(xiàn)了高達(dá)94%的降壓和升降壓效率，從而最大限度地延長了電池的運(yùn)行時(shí)間。此外，突發(fā)模式操作還優(yōu)化了輕負(fù)載條件下的效率，靜態(tài)電流僅為25μA(對于升降壓型穩(wěn)壓器)和35μA(對于每個(gè)降壓型穩(wěn)壓器)。2.25MHz的高開關(guān)頻率允許使用纖巧型、低成本的電容器和高度1mm的電感器，并實(shí)現(xiàn)了非常低的輸出電壓紋波。此外，所有的穩(wěn)壓器均能夠在采用陶瓷輸出電容器的情況下保持穩(wěn)定，從而實(shí)現(xiàn)了小占板面積，且不會發(fā)生熱問題。
　　
LTC3576 PMIC具有USB OTG支持能力
LTC3576內(nèi)置1個(gè)具輸入過壓保護(hù)和USB On-The-Go(OTG)功能的雙向開關(guān)電源管理器、1個(gè)獨(dú)立型電池充電器、3個(gè)高效率同步降壓型穩(wěn)壓器、1個(gè)理想二極管、I2C控制功能和一個(gè)始終保持接通的LDO，所有這些都被集成在一個(gè)緊湊、扁平的38引腳4mm6mm QFN封裝之中(見圖2)。

圖2 LTC3576的簡化方框圖

LTC3576的USB兼容型雙向開關(guān)穩(wěn)壓器具有100mA和500mA的可編程輸入電流限值，以及一個(gè)1A的墻上適配器輸入電流限值。該IC還能夠從電池獲取功率，以在不增設(shè)任何組件的情況下產(chǎn)生USB OTG應(yīng)用所需的500mA(在5V)電流，從而使得該器件可以起一個(gè)主機(jī)的作用。該IC提供了一個(gè)過壓保護(hù)(OVP)控制電路，用于防止其輸入因意外施加高達(dá)66V的電壓而受損。OVP電路能夠保護(hù)USB端口，即使在IC為USB OTG供電的情況下也不例外。LTC3567利用一個(gè)配套使用的凌力爾特高電壓開關(guān)穩(wěn)壓器提供了Bat-TrackTM控制，以從高電壓輸入實(shí)現(xiàn)高效充電，同時(shí)最大限度地減少熱耗散，并在USB和較高電壓電源之間提供一種無縫切換。
LTC3576的三個(gè)集成同步降壓型穩(wěn)壓器在采用陶瓷電容器時(shí)可實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定，具有100%的工作占空比，并能夠分別輸送1A/400mA/400mA的輸出電流，且可調(diào)輸出電壓低至0.8V。內(nèi)部低RDS(ON)開關(guān)實(shí)現(xiàn)了高達(dá)94%的效率，從而最大限度地延長了電池的運(yùn)行時(shí)間。此外，突發(fā)模式操作還優(yōu)化了輕負(fù)載條件下的效率，每個(gè)穩(wěn)壓器的靜態(tài)電流僅為20μA(在停機(jī)模式中1μA)。所有三個(gè)降壓型開關(guān)穩(wěn)壓器均可通過I2C接口對其電壓實(shí)施“執(zhí)行中”調(diào)節(jié)，以實(shí)現(xiàn)電壓裕度調(diào)節(jié)或優(yōu)化微處理器中的性能/功率折衷方案。最后，2.25MHz的高開關(guān)頻率允許使用纖巧型、低成本的電容器和高度 1mm的電感器。
　　
各式各樣的最終應(yīng)用
新型PMIC系列已經(jīng)成為諸如個(gè)人媒體播放器(PMP)、個(gè)人導(dǎo)航裝置(PND)、電子圖書閱讀器和智能手機(jī)等消費(fèi)類手持式USB供電型產(chǎn)品的極佳選擇。然而，由于增加了新的功能塊并提高了電壓和功率輸送能力，使得這些新型PMIC滲透到了其他的市場空間中，如工業(yè)便攜式產(chǎn)品或便攜式數(shù)據(jù)輸入終端將得益于高輸入電壓能力、以及針對工業(yè)系統(tǒng)總線電壓的輸入電壓瞬變的過壓保護(hù)功能，醫(yī)療設(shè)備將得益于多種電壓軌組合和低靜態(tài)電流，便攜式汽車診斷和個(gè)人導(dǎo)航裝置(PND)單元可得益于高電壓輸入能力，以便除USB之外還能從高電壓電源高效地對這些單元進(jìn)行供電。即使諸如視覺系統(tǒng)和戰(zhàn)場環(huán)境傳感器系統(tǒng)等軍事應(yīng)用也將從PMIC的堅(jiān)固型設(shè)計(jì)和高電壓能力當(dāng)中獲益匪淺。