ot;display: block;">去年,消費者購買了十億多部手機,2.2億臺筆記本電腦,1.4億只MP3,9千萬數(shù)碼相機(DSC)以及1千萬套個人導航設(shè)備(PND)。依據(jù)內(nèi)部系統(tǒng)架構(gòu)來說,所有的這些設(shè)備都有一定的共性。首先,它們都是由電池供電的,通常都是利用某種鋰離子電池(Li-Ion)作為主電源,而利用另一個輸入電源作為備份或者為了充電。其次,它們都內(nèi)置了一定的存儲設(shè)備,通常包括某種ROM、RAM或NAND閃存,而在許多時候還有一個硬盤(HDD)或SDIO卡。根據(jù)技術(shù)調(diào)查機構(gòu)IDC的最新研究,去年全世界共生產(chǎn)了1610億GB的數(shù)字信息。這相當于需要用20億臺iPod來存儲這些信息。
但是,上面沒有提及的另一類產(chǎn)品,就是將上述產(chǎn)品功能中的兩種甚至三種組合到一起的產(chǎn)品,如便攜式媒體播放器(PMP)或數(shù)字媒體廣播(DMB)產(chǎn)品。這些產(chǎn)品也利用鋰離子電池作為主電源,并具有很大的存儲容量。它們正在成為消費電子領(lǐng)域中的重要播放設(shè)備。
PMP或DMB產(chǎn)品的一個關(guān)鍵優(yōu)點是他們都能播放MP3和MP4格式。因此,利用一臺設(shè)備就可以欣賞來自DVD-CD或者從網(wǎng)站上下載的音樂和電影。典型地,設(shè)備的存儲媒質(zhì)可以存儲超過150小時的視頻或者1200小時的音樂。但是,和其他任何依賴電池供電的手持設(shè)備相類似,這些PMP設(shè)備的制造商面臨前所未有的壓力,他們必須將諸多的功能集成到體積和外形受限的結(jié)構(gòu)里,同時還要提供更長的工作時間。
由于絕大多數(shù)PMP都具備視頻播放和MP3播放的功能,內(nèi)部電路要求多個功率電平不等的低電壓軌。其原因是很清楚的,因為大多數(shù)數(shù)字大規(guī)模集成電路的工作電壓為或更低。同時,存儲器和I/O所需電壓為2.5～。于是,采用多負載點(POL)DC/DC變換器對來自鋰離子電池的電壓進行直接變換是不現(xiàn)實的,系統(tǒng)設(shè)計師必須采用更多的集成方案。
絕大多數(shù)電池供電的手持設(shè)備都利用一塊定制集成電路(ASIC)來處理電池充電、功率通道控制、提供多路電源電壓,以及保護功能(例如實際的輸出開路和精密的USB電流限制)等。采用這種方案的目的很明確,就是可以用一枚器件來滿足所有的電源管理方面的需求。不過,這種方案也存在一些缺點。首先,ASIC是采用特定的晶圓制造工藝來制造的,要實現(xiàn)每個功能的最佳性能非常困難。其次,對于短動態(tài)設(shè)計周期的設(shè)計變得更為重要的是ASIC的定義和研發(fā)所導致的交貨周期過長。一般來說,一塊電源管理ASIC從概念到交貨需要的時間在一年半以上。而在此周期內(nèi),一種特定的產(chǎn)品設(shè)計可能已經(jīng)更改了三次或更多。
用于電源管理的應(yīng)用定制標準產(chǎn)品
絕大多數(shù)的電池供電的手持設(shè)備通常可以用一個AC適配器,一個通用串行總線(USB),或者一塊鋰/聚合物電池來供電,但是,如何實現(xiàn)這些電源間的電源通道控制是一個很大的技術(shù)挑戰(zhàn)。直到最近,設(shè)計師還在試圖利用分離的方式,即用一組MOSFET以及運算放大器等來實現(xiàn)這一功能,但他們面臨著很大的問題,如熱插拔和很大的瞬間電流等,這些都會引起很大的系統(tǒng)問題。
在各類電池供電的手持設(shè)備中的功能和性能方面存在一定的共性,這些產(chǎn)品中可以使用應(yīng)用定制標準產(chǎn)品(ASSP),且沒有在單晶圓制造工藝中出現(xiàn)的與IC制造相關(guān)的性能折衷。Linear公司最近開發(fā)出了新一代的這類產(chǎn)品-LTC3555,該產(chǎn)品代表著這類應(yīng)用中的性能和功能上的一個新水平。
LTC3555無縫地管理交流適配器,USB和鋰離子電池之間的功率流,符合USB標準,所有部分均封裝在一個4×5mm QFN內(nèi)。似乎這還不足夠,它還帶有一個全功能的鋰離子/聚合物電池充電器,能夠提供高達的充電電流,再加上三個用來產(chǎn)生絕大多數(shù)USB外設(shè)所需的低電壓軌的高效率同步降壓轉(zhuǎn)換器。此外,LTC3555還提供一個恒定的25mA的低壓差線性調(diào)節(jié)器來為實時時鐘(RTC)和低功率邏輯電路供電。整個器件可以通過一個簡單的I2C接口或簡單的I/O口來控制。
圖1:LTC3555的簡化方框圖和原理圖。
LTC3555的應(yīng)用電路圖如圖1所示,圖中顯示了多功能的實現(xiàn)原理。DC/DC變換是一個相對簡單的降壓變換。LTC3555的三個片上降壓變換器都工作在電流模式控制,效率高達95%,具有I2C或芯選觸發(fā)突發(fā)模式或自動的觸發(fā)突發(fā)模式。DC/DC變換器的開關(guān)頻率為,允許使用很小的外部電容和電感。這些降壓變換器的連續(xù)輸出電流分別為1A,400mA和400mA,輸出電壓在之間可編程。
LTC3555的功率提供方法與現(xiàn)有的電池和電源管理IC不同,實際上是電荷饋送(charger-fed)系統(tǒng)。在一般的電源管理IC中,外部電源并不直接為負載供電。而是由AC適配器或USB口為電池充電,然后再為負載供電。在電池被過度放電或根本就沒有任何電量的情況下,為負載供電會有一個延遲。這是因為電能無法直接從電池取走,直到電池獲得了所需的最少量的電荷后方可。使用LTC3555后,就可以消除該延遲,只要墻體適配器或USB一插上就可以立即為手持設(shè)備供電。此外,芯片可以取走負載未用的功率,并用它為電池充電。
這兩個優(yōu)點(即省去了充電延遲以及同時充電和為負載供電)延長了有效的工作時間,并且在連接到USB時加速充電。這種電源管理技術(shù)的另一個優(yōu)點是提高了使用效率,只要有AC或USB電源即可。這種情況下,可以省去不需要的變換級(用于電池充電)。
高效率開關(guān)電源通道控制器
與有一個線性電源通道控制器的上一代產(chǎn)品LTC3455不同,LTC3555有一個高效率的開關(guān)模式電源通道控制器。專門為USB應(yīng)用而設(shè)計,LTC3555的電源通道控制器整合了一個精密平均輸入遞降開關(guān)調(diào)節(jié)器,這樣可以最大限度地利用可用的USB功率。因為電能被保存,LTC3555允許VOUT上的負載電流超過USB口吸取的電流,但不超過USB負載規(guī)范的要求。電源通道開關(guān)調(diào)節(jié)器與電池充電器相互通信以確保輸入電流不會超過USB的指標限制。更進一步,從BAT到VOUT之間的理想二極管保證了功率可以始終送到VOUT,即便是沒有足夠的功率或者在VBUS上根本就沒有電源的情況下也是如此。
圖2:LTC3555電源通道方框圖。
當VBUS可用時并且電源通道開關(guān)調(diào)節(jié)器激活時,就可以通過SW將電源從VBUS送到VOUT(見圖2)。VOUT驅(qū)動外部負載(圖1中的開關(guān)調(diào)節(jié)器1,2和3)和電池充電器組成的混合負載。如果混合負載沒有超過電源通道開關(guān)調(diào)節(jié)器的編程輸入電流限制,VOUT將跟蹤(電池電壓以上)。通過保持電池充電器上的電壓為低,效率被優(yōu)化,因為損失到線性電池充電器上的功率被減到了最小,其結(jié)果是送到負載上的可用功率被優(yōu)化。
如果VOUT的混合負載足夠大,能引起開關(guān)電源達到編程輸入電流的限制值,電池充電器將充電電流降低所需的量,以滿足外部負載需求的值。即使電池電流被設(shè)置得超過了允許的USB電流,也不會超過USB規(guī)范,因為開關(guān)調(diào)節(jié)器會始終限制平均輸入電流,以確保不會出現(xiàn)這種情況。進一步說,VOUT上的負載電流始終是優(yōu)先的,只有剩余的功率才被用來對電池充電。
如果電池電壓低于,或者電池不存在,而且負載的需求不會引起開關(guān)調(diào)節(jié)器超過USB規(guī)范的要求,VOUT將會降到一個位于與電池電壓之間的某個值上。如果電池不存在,而負載有超過了可用的USB功率,VOUT將會跌落到地電平。
LTC3555內(nèi)含一個理想二極管(見圖2),還有一個用于一個可選的外部理想二極管的控制器。該理想二極管控制器始終處于接通狀態(tài),從而在VOUT低于電池電壓時將快速響應(yīng)。如果負載電流增加到超過了開關(guān)調(diào)節(jié)器所允許的功率,將會通過理想二極管從電池吸取功率。此外,如果到VBUS(USB或墻體適配器)的功率被拔掉,則所有的應(yīng)用功率將都經(jīng)過理想二極管由電池提供。從輸入功率到電壓為VOUT的電池功率的轉(zhuǎn)換非?？?只允許使用一個3uF的電容器來避免VOUT下降。實現(xiàn)這一點是可能的,因為該理想二極管中包括一個精密放大器,當VOUT上的電壓比電池電壓低大約15mV(VFWD)時,放大器啟動一個大功率的片上P溝道MOSFET晶體管。內(nèi)部理想二極管的電阻大約為180mΩ,利用一顆外部電阻,該值可以減小到50mΩ。
很清楚,對于電池供電的手持設(shè)備的設(shè)計師來說,有許多選項來確保電池壽命對于其特定的應(yīng)用來說是最優(yōu)化的。一個性能最優(yōu)的、多功能的ASSP能夠提供實現(xiàn)最佳系統(tǒng)功能所需的電壓或功率電平,同時確保在正常工作時電池的漏功率減到最小。
作者:Tony Armstrong
產(chǎn)品行銷經(jīng)理
tarmstrong@
電源產(chǎn)品部
凌力爾特公司
