研諾新款I(lǐng)C AAT2601的完整電源解決方案

Abstract:概要：

便攜式和手持式設(shè)備設(shè)計師一直在為他們已經(jīng)功能十分豐富的產(chǎn)品增添新的激動人心的功能，這一令人難以置信的朝著前所未有設(shè)計復(fù)雜度發(fā)展的趨勢，對硬件和軟件的整體系統(tǒng)設(shè)計提出了很高的要求。這些設(shè)備還必須在所有工作條件下表現(xiàn)出很長的電池壽命，這反過來又對電源分配子系統(tǒng)提出了很高的要求，這類子系統(tǒng)通過提供高度復(fù)雜、高度功能化的功率密度解決方案已經(jīng)在該領(lǐng)域加速了令人瞠目結(jié)舌的進步。AnalogicTech公司提供可滿足這些非?？量桃蟮囊幌盗型暾暮图苫膯纹琁C解決方案。在本文中，我們將詳細(xì)討論其中的一款I(lǐng)C，即AAT2601，并展示它如何為好幾種不同應(yīng)用提供完整電源解決方案。

引言：

AnalogicTech公司可提供范圍非常大的電源轉(zhuǎn)換解決方案，它們都是針對便攜式和手持式電池供電電子設(shè)備而特別設(shè)計的。

最新公布的AAT2601是以下便攜式應(yīng)用的整體電源解決方案，如：

數(shù)碼相機
GSM或CDMA手機
手持式儀器
PDA和手持式計算機
便攜式多媒體播放器

該單片IC解決方案是AnalogicTech整體電源管理IC（TPMIC）產(chǎn)品系列的一個成員，它采用了散熱性能更好的550.8mm小外形36引腳TQFN封裝。

這一先進的電源模塊單元（PMU）可提供一系列的集成性能和功能，它們有助于優(yōu)化電源分配性能和PCB板面積。下面是其中一些性能和功能：
4.5V到6V的輸入電壓范圍
一個電池充電器
數(shù)字化熱量調(diào)節(jié)
充電電流可編程到1.4A
充電電流終端匹配編程
可用作電池預(yù)處理的自動涓流充電
一個用于核心應(yīng)用的完全集成降壓同步轉(zhuǎn)換器，它帶有內(nèi)部補償可節(jié)省應(yīng)用設(shè)計時間和允許更快的上市時間。它采用1.5MHz的開關(guān)頻率，從而可在保持很低開關(guān)損耗和提供93%以上峰值效率的同時，將外部元件尺寸最小化。
五個低壓降穩(wěn)壓器LDO。所有LDO輸出電壓可采用I2C接口進行編程。所有LDO提供60dB電源抑制比PSRR，其低噪聲運轉(zhuǎn)性能使得它們非常適合為噪聲敏感負(fù)載提供電源。
所有六個電壓穩(wěn)壓器的靜態(tài)電流都很低。在降壓轉(zhuǎn)換器和2個LDO工作時，總的無負(fù)載電流僅有170μA。

電源系統(tǒng)要求：

所有便攜式消費電子應(yīng)用都依靠某種需要周期性充電的電池進行工作。電池要求一個非常嚴(yán)格的充電方法學(xué)，以保證在維持安全工作的同時進行成功的充電。這些設(shè)備采用的CPU要求一個穩(wěn)壓的核心電壓，它必須具有杰出的瞬態(tài)響應(yīng)和高電源轉(zhuǎn)換效率。各種其它功能要求多個低壓降穩(wěn)壓器LDO，來為所有相關(guān)的電路提供電源。

詳細(xì)的模塊描述

功能方塊圖

圖1：AAT2601的功能方塊圖

圖1描述了AAT2601PMU的功能方塊圖。AAT2601是一個完整的電源管理解決方案。它無縫地集成了一個智能、獨立CC/CV（恒流/恒壓）、線性模式單節(jié)電池充電器、一個降壓轉(zhuǎn)換器和五個LDO，以從墻上適配器或一個單節(jié)鋰離子/鋰聚合物電池產(chǎn)生電源。內(nèi)部負(fù)載開關(guān)允許LDO穩(wěn)壓器和同步降壓DC-DC轉(zhuǎn)換器選擇在最佳的電源（AC墻適配器、USB口電源或電池）下工作。

如果系統(tǒng)中只有電池，那么電壓穩(wěn)壓器和轉(zhuǎn)換器可直接通過一個100mΩ負(fù)載開關(guān)從電池供電，此時，充電器進入睡眠模式并僅消耗不到1μA靜態(tài)電流。

如果系統(tǒng)連接到一個墻適配器，那么電壓轉(zhuǎn)換器可直接通過一個500mΩ負(fù)載開關(guān)從墻適配器供電，電池則與電壓轉(zhuǎn)換器輸入脫開連接。這允許系統(tǒng)在不管電池充電狀態(tài)或沒有電池的情況下工作。

降壓同步轉(zhuǎn)換器

AAT2601含有一個高性能300mA、1.5MHz同步降壓轉(zhuǎn)換器。該降壓轉(zhuǎn)換器設(shè)計用于確保在100A到300mA的整個負(fù)載電流譜上具有很高效率性能，峰值效率超過93%。它只需要3個外部電源器件：輸入和輸出陶瓷電容、以及一個輸出指示器。一個帶內(nèi)部補償?shù)母逥C增益差錯放大器控制輸出。

它可提供杰出的瞬態(tài)響應(yīng)和負(fù)載/線路穩(wěn)壓。典型的瞬態(tài)響應(yīng)時間不到20μs。該轉(zhuǎn)換器具有軟啟動控制性能，以限制浪涌電流和LDO輸出端的占空比轉(zhuǎn)換到100%。電源器件的選擇既要滿足300mA負(fù)載電流的要求，又要在整個負(fù)載上維持超過88%的效率。

其轉(zhuǎn)換器是一個峰值電流模式降壓轉(zhuǎn)換器，內(nèi)部大帶寬環(huán)路控制電感峰值電流。電感電流通過用作高端或控制開關(guān)的P溝道MOSFET感應(yīng)出來，它也用于短路和過載保護。一個固定斜率的補償信號被疊加到感應(yīng)電流之上，以保持占空比大于50%的應(yīng)用的穩(wěn)定性。帶輸出電容的峰值電流模式環(huán)路用作電壓編程電流源。

電壓差錯放大器的輸出用來控制電流模式環(huán)的必要峰值電感電流，以強制輸出一個適用于所有負(fù)載和線路情況的恒定輸出電壓。

電壓反饋電阻分壓器是內(nèi)部的，差錯放大器參考電壓是0.45V。電壓環(huán)路有一個很高的DC增益，它是專為杰出的DC負(fù)載和線路穩(wěn)壓而設(shè)計的。內(nèi)部電壓環(huán)路補償位于跨導(dǎo)電壓差錯放大器的輸出端。

降壓轉(zhuǎn)換器也具有軟啟動性能，當(dāng)輸入電壓或使能輸入最初施加上去時，它可緩慢地增加內(nèi)部參考電壓。它可限制輸入端看得到的浪涌電流，并可消除輸出電壓過沖，從而可提供安全和可靠的性能。

在過載情況下，峰值輸入電流是受限制的。隨著負(fù)載阻抗降低和輸出電壓快掉到零時，更多的功率在內(nèi)部消耗掉，并升高設(shè)備溫度。熱保護功能可在內(nèi)部功耗變得過高時，完全切斷轉(zhuǎn)換開關(guān)，從而可保護設(shè)備免受損壞。結(jié)過溫門檻是140C，遲滯溫度范圍是15C。

I2C接口

I2C接口內(nèi)部嵌進了很多性能，如充電器的編程和輸出電壓設(shè)定，凡此種種。

這一器件的其中一個關(guān)鍵性能是，通過I2C接口，輸出電壓可以在限制之內(nèi)進行調(diào)整，它也可稱為動態(tài)輸出電壓調(diào)整。這是一個非常重要的性能，它允許在低電池、高溫度和電池老化等工作條件下優(yōu)化系統(tǒng)的動態(tài)性能。


電源轉(zhuǎn)換效率

圖2：在100A到400mA的負(fù)載電流情況下AAT2601的電源轉(zhuǎn)換效率
圖中文字：OutputCurrent(mA)輸出電流
Efficiency(%)效率
效率與負(fù)載曲線

降壓轉(zhuǎn)換器在感興趣的所有負(fù)載電流上可連續(xù)保持很高的效率。在2.7V輸入電壓下峰值效率超過93%，在4.2V輸入電壓下峰值效率超過90%。這一高效率允許更長的電池壽命和電池容量的更好利用。高效率和更低的開關(guān)損耗允許設(shè)備的工作溫度更低，而這要求更少的熱管理設(shè)計和直接導(dǎo)致更高的可靠性。

瞬態(tài)響應(yīng)

瞬態(tài)負(fù)載


Figure3,Loadtransientresponse.LoadTransientResponseat
10mA-100mA;Vbat=3.6V;VOUT=1.8V;COUT=4.7F
圖3：負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)。測試條件為：10mA-100mA;Vbat=3.6V;VOUT=1.8V;COUT=4.7F

CPU內(nèi)核電源必須提供內(nèi)核所需的電壓和電流，以及非常快速的負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)。瞬態(tài)時間是好幾個變量的函數(shù)，如輸出濾波器電感和電容，最重要的是轉(zhuǎn)換器的環(huán)路帶寬。環(huán)路帶寬是控制方案和開關(guān)頻率的函數(shù)。典型地，大于開關(guān)頻率一半的環(huán)路帶寬實際上是很難實現(xiàn)的，而四分之一或十分之一開關(guān)頻率的環(huán)路帶寬是較容易實現(xiàn)的。

圖3顯示了AAT2601可實現(xiàn)的杰出瞬態(tài)響應(yīng)，觀察到的瞬態(tài)電壓是-70mmV/+58mV。瞬態(tài)響應(yīng)時間大約是杰出的20Sec。

線路瞬態(tài)響應(yīng)

圖4：同步降壓轉(zhuǎn)換器線路瞬態(tài)響應(yīng)，測試條件為Vbat=3.5V-4.2V;IOUT=300mA;VOUT=1.8V;COUT=4.7F
圖中文字：Measure測量
Value數(shù)值
Status狀態(tài)


該降壓同步轉(zhuǎn)換器具有優(yōu)異的線路瞬態(tài)響應(yīng)。圖4描述了輸入電壓在3.5V到4.2V之間每上一個臺階的線路瞬態(tài)響應(yīng)，圖中顯示是+65mV/-70mV的電壓擺幅。這一性能保證了在線路電壓變化下內(nèi)核電壓的混亂保持在規(guī)范之內(nèi)，從而確保了工作的可靠性。

典型的上電和下電順序

上下電順序是今天的智能解決方案的關(guān)鍵要求。

在該器件中實現(xiàn)正確的上下電順序有很大的靈活性。首先是通過使用獨立的使能信號，其次是通過使用I2C接口。

此外，該器件還具有其它一些使能輸入，它們用于實現(xiàn)AAT2160的自測試和睡眠模式等，它們可幫助用戶優(yōu)化其解決方案。

電池充電器

電池充電器是任何針對便攜式應(yīng)用的PMU的一個關(guān)鍵功能塊。

電池充電曲線由以下三個階段組成：
1.預(yù)電流模式涓流充電
2.恒定電流模式充電
3.恒定電壓模式充電

1.預(yù)涓流充電

為了維持一個安全的充電環(huán)境，電池充電僅在AAT2601電池充電器檢測到以下幾個條件才會開始。輸入電源必須大于最低工作電壓UVLO，以及使能引腳ENBAT必須是低電平。

當(dāng)電池連接到BAT引腳時，電池充電器先檢查電池的條件，再決定采用哪種充電模式。

如果電池電壓低于預(yù)電壓門檻VMIN，那么電池充電器將啟動預(yù)涓流充電模式，并以編程設(shè)定的恒流幅度的12%對電池進行充電。

涓流充電對一個深度放電的電池單元來說是一種安全的預(yù)防措施。當(dāng)輸入輸出電壓差為最高時，它還可降低在內(nèi)部串接導(dǎo)通MOSFET上的功耗。

2.恒流模式充電電流

涓流充電一直持續(xù)到電池電壓到達(dá)VMIN。一旦到達(dá)此點，電池充電器開始恒流充電。該模式的缺省電流水平可使用一個位于ISET引腳與地之間的電阻進行調(diào)節(jié)。一旦針對缺省充電電流選定了電阻，該電流可通過I2C接口在設(shè)定缺省充電電流的40%到180%的范圍內(nèi)進行調(diào)節(jié)。設(shè)定電流可在最低100mA和最高1A之間進行調(diào)整。

當(dāng)ADPP信號變高時，缺省I2C設(shè)置是復(fù)位。如果USE_USB信號在ADPP信號變高時是高電平，那么充電電流就復(fù)位到內(nèi)部設(shè)置的100mA電流，直到微控制器發(fā)出另一I2C信號來改變充電電流。

3.恒壓模式充電

恒流充電將一直持續(xù)到電池電壓到達(dá)輸出充電電壓調(diào)節(jié)點VBAT_REG。當(dāng)電池電壓上升到調(diào)節(jié)電壓(VBAT_REG)時，電池充電器將轉(zhuǎn)換到恒壓模式。VBAT_REG出廠時校準(zhǔn)到4.2V(標(biāo)稱值)。恒壓模式充電將一直持續(xù)到充電電流減少到充電終止電流的末端，該充電終止電流可通過I2C接口進行編程。

充電安全定時器（CT）

在監(jiān)控充電周期的同時，AAT2601利用一個充電安全定時器來幫助識別受損電池單元，并確保該電池單元安全地充電。其工作流程如下：在啟動充電周期之后，AAT2601以編程設(shè)定的最大充電電流的12%對電池單元進行充電，一直到電池電壓VBAT>2.8V。如果電池單元電壓在安全定時器計數(shù)終止前沒能上升到預(yù)設(shè)置典型門檻電壓2.8V，那么該電池單元就被認(rèn)為已受到損壞，充電周期也隨之終止。如果電池單元電壓在定時器計數(shù)終止前超過2.8V，那么充電周期就進入快速充電階段。AAT2601有3種超時周期：涓流充電模式下是1小時，恒流充電模式下是3小時，恒壓充電模式下也是3小時。

CT引腳由恒流源驅(qū)動，并將在定時電容數(shù)值上提供一個線性增長響應(yīng)。因此，如果定時電容的數(shù)值是其標(biāo)稱0.1μF的一倍，那么超時周期也將延長一倍。如果不需要可編程看門狗定時器功能，可以通過將CT引腳接到地上來解除該功能。定時電容應(yīng)當(dāng)在PCB板上盡量靠近CT引腳。

陶瓷電容材料（如X7R和X5R類型）是這一應(yīng)用的上等之選。

應(yīng)用框圖

圖5：應(yīng)用框圖


圖5描述了一個典型的應(yīng)用框圖，它顯示了PMU正常工作所需的所有外部元器件，以及顯示了微控制器接口。

PCB設(shè)計指南

在進行PCB設(shè)計時，應(yīng)當(dāng)遵循下列布局指南，以確保AAT2601的正常工作：

地層應(yīng)當(dāng)在AAT2601封裝下有一塊很大的裸露銅皮墊，它上面有很多連接到所有PCB層的過孔，以保證良好的熱散發(fā)。
電源走線（包括GND走線、LX走線和VIN走線）應(yīng)當(dāng)盡量短、直接和寬，以允許大電流流過、降低寄生電感和電阻。到LX引腳的濾波器電感連接應(yīng)當(dāng)盡量短。在多層之間走線時，使用多個過孔墊。
輸入電容應(yīng)當(dāng)盡量靠近CHGIN和PGND，以得到良好的電源濾波效果。
將開關(guān)節(jié)點盡量遠(yuǎn)離敏感的反饋節(jié)點。
反饋走線應(yīng)當(dāng)與任何電源走線隔離開，并盡量靠近負(fù)載點。沿著高電流負(fù)載走線感應(yīng)信號將影響DC負(fù)載校準(zhǔn)。
輸出電容和輸出電感的連接走線應(yīng)當(dāng)盡量短，而且在電感下面不應(yīng)該有任何信號走線。
從負(fù)載返回到電源地的走線電阻應(yīng)當(dāng)保持在一個最小值，方法是盡可能地縮短它們的走線長度。這將有助于最小化由于內(nèi)部信號地和電源地的電位差而引發(fā)的任何DC調(diào)節(jié)差錯。


結(jié)論

在本文中，我們回顧了AAT2601PMU的一些性能，并討論了該器件是如何以一種非常復(fù)雜的架構(gòu)和小巧封裝進行設(shè)計的，以優(yōu)化性能和占板面積。

下面是AAT2601應(yīng)該再次被明確強調(diào)的性能：

1.AAT2601提供了適合多種應(yīng)用的完整電源分配解決方案。這包括一個電池充電器、一個同步降壓轉(zhuǎn)換器和五個LDO。
2.同步降壓轉(zhuǎn)換器提供杰出的電源轉(zhuǎn)換效率、線路和負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)。
3.AAT2601提供用于對充電器和LDO進行編程的I2C總線接口。
4.所有的LDO提供60dB電源抑制比PSRR，且其低噪聲運行性能使得它們適合為噪聲敏感負(fù)載提供電源。
5.該器件采用散熱性能更好的小外形550.8mm36引腳TQFN封裝。
6.非常低的靜態(tài)電流，僅為170A
7.提供過流和過溫保護功能，以確保高可靠性。