電源通路管理集成電路的優(yōu)點(diǎn)

主要設(shè)計(jì)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(duì)USB電流有一定限制。一個(gè)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(yán)格要求。

管理電源通路是另一個(gè)問(wèn)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(guò)，自主管理這些電源、負(fù)載和電池之間的電源通路帶來(lái)了巨大的技術(shù)挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)上，設(shè)計(jì)師們一直嘗試用少量MOSFET、運(yùn)算放大器和其他分立組件實(shí)現(xiàn)這一功能，但是一直面臨著熱插拔、大浪涌電流等問(wèn)題，這些問(wèn)題可能引起更嚴(yán)重的系統(tǒng)可靠性問(wèn)題。

便攜式消費(fèi)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?yàn)檫@類電池的能量密度相對(duì)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(lái)越復(fù)雜，對(duì)較高容量電池的需求也越來(lái)越大了，也就要求配備更先進(jìn)的電池充電器。大多數(shù)消費(fèi)者希望充電時(shí)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(lái)了兩大問(wèn)題。首先，就線性充電器而言，電流增大會(huì)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(shí)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(jì)由電池供電的電子產(chǎn)品帶來(lái)了壓力。

總之，系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(fù)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(jiǎn)單輕松地解決這些問(wèn)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(wú)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(fù)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(shí)接通”工作。一個(gè)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(gè)滿充電電池在連接總線時(shí)保持滿電量，具有電源通路控制功能的集成電路通過(guò)USB總線向負(fù)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(guò)一個(gè)內(nèi)部低損耗理想二極管從電池流向負(fù)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(yuǎn)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(zhǎng)了電池壽命（見(jiàn)圖1）。

圖1 簡(jiǎn)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(fù)載供電并降低功耗，所有這一切都是在一個(gè)外形尺寸極小的集成電路中實(shí)現(xiàn)的。電源通路控制電路可以采用線性或開(kāi)關(guān)拓?fù)?，這兩種拓?fù)鋵?duì)系統(tǒng)而言都有各自的優(yōu)點(diǎn)。后面將評(píng)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(lái)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?yàn)閂_BAT是系統(tǒng)負(fù)載唯一可用的電壓（見(jiàn)圖2）。輸入電流約等于充電電流，因此無(wú)須附加輸入限流。系統(tǒng)負(fù)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(méi)電或缺失（以及電池電壓低）時(shí)，沒(méi)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(jiǎn)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?fù)浞Q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(gè)限流開(kāi)關(guān)。V_OUT為線性電池充電器和系統(tǒng)負(fù)載供電。這種系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是，電池與系統(tǒng)負(fù)載之間被隔斷了，因此一有機(jī)會(huì)就可以進(jìn)行充電（見(jiàn)圖3）。該電源通路系統(tǒng)還實(shí)現(xiàn)了“即時(shí)接通”工作，因?yàn)殡娫匆患拥诫娐飞?，中間電壓就可用于系統(tǒng)負(fù)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(guò)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(fù)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(diǎn)。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(shí)（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(gè)別的交流適配器（或高壓）輸入通路而言，可能會(huì)做些調(diào)節(jié)，就以較高效率工作而言，一個(gè)可選外部PFET可以降低理想二極管的阻抗。

圖3 簡(jiǎn)化的線性電源通路電路

開(kāi)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(kāi)關(guān)模式的拓?fù)?。此類電源通路型器件從一個(gè)符合USB規(guī)格的降壓型開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器產(chǎn)生一個(gè)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(jiàn)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(guò)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(fù)載可用功率。平均開(kāi)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(duì)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(kāi)關(guān)電源通路系統(tǒng)也提供“即時(shí)接通”工作。

圖4 簡(jiǎn)化的開(kāi)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(kāi)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(shí)接通”工作和Bat-Track自適應(yīng)輸出控制能力，可實(shí)現(xiàn)高效率工作。LTC4088的電源通路控制功能和開(kāi)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(fù)載電流超過(guò)從USB端口吸取的電流而不會(huì)超過(guò)USB負(fù)載規(guī)范（見(jiàn)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(jī)、手持式計(jì)算機(jī)和GPS系統(tǒng)組成簡(jiǎn)單、緊湊和經(jīng)濟(jì)的解決方案。
高效率開(kāi)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P(yáng)MIC將USB開(kāi)關(guān)電源通路管理器和電池充電器與3個(gè)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(jiàn)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(guò)產(chǎn)生自動(dòng)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(jì)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(gè)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(shí)，具有高達(dá)92%的效率。這個(gè)器件還提供始終接通3.3V輸出，能夠?yàn)閷?shí)時(shí)時(shí)鐘或按鈕監(jiān)視器等系統(tǒng)提供25mA電流。