电源通路管理集成电路的优点

时间：2007-10-07 09:41:00

关键字：电源集成电路电池充电器端口

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主要设计难题

在很多情况下，能够用USB端口给电池充电为用户提供了更大的方便。但是，USB规范对USB电流有一定限制。一个基于USB的电池充电器必须尽可能高效率地从USB端口抽取尽可能多的功率，以满足今天的电源密集型应用在空间和热量方面的严格要求。

管理电源通路是另一个问题。很多由电池供电的便携式电子产品可以用交流适配器、汽车适配器、USB端口或锂离子/聚合物电池供电。不过，自主管理这些电源、负载和电池之间的电源通路带来了巨大的技术挑战。传统上，设计师们一直尝试用少量MOSFET、运算放大器和其他分立组件实现这一功能，但是一直面临着热插拔、大浪涌电流等问题，这些问题可能引起更严重的系统可靠性问题。

便携式消费类电子产品常常采用锂离子电池和锂离子聚合物电池，因为这类电池的能量密度相对较高──与使用其他可用化学材料制成的电池相比。在给定的尺寸和重量限制条件下，它们的容量更大。随着便携式产品变得越来越复杂，对较高容量电池的需求也越来越大了，也就要求配备更先进的电池充电器。大多数消费者希望充电时间较短，因此提高充电电流似乎是可取的。但是，提高充电电流带来了两大问题。首先，就线性充电器而言，电流增大会增加功耗（也就是热量）。其次，根据主控制器协商好的模式，充电器必须将从5V USB总线吸取的电流限制到100mA（500mW）或500mA（2.5W）。这种高效率充电，加之电池充电器集成电路必须实现高水平的功能集成以及节省电路板空间和提高产品可靠性的需求，都给设计由电池供电的电子产品带来了压力。

总之，系统设计师面临的主要挑战如下：

● 最大限度地提高从USB端口（可提供2.5W）获取的电流。
● 管理输入电压源、电池和负载之间的电源通路。
● 最大限度地减少热量。
● 最大限度地提高效率。
● 减小占板面积和高度。

集成式电源管理器集成电路可以简单轻松地解决这些问题。

电源通路控制与理想二极管

电源通路控制功能能够自主和无缝地管理各种不同输入源之间的电源通路，如USB、交流适配器和电池之间的电源通路，并向负载供电。电源通路控制允许最终产品接电后立即工作，而不必考虑电池的充电状态，这称作“即时接通”工作。一个具有电源通路控制功能的器件既为自身供电，又用USB总线或交流适配器电源为单节锂离子/聚合物电池充电。为了确保一个满充电电池在连接总线时保持满电量，具有电源通路控制功能的集成电路通过USB总线向负载输送功率，而不是从电池抽取功率。一旦电源被去掉，电流就通过一个内部低损耗理想二极管从电池流向负载，从而最大限度地降低了压降和功耗。

理想二极管的正向压降远低于普通二极管或肖特基二极管的正向压降，理想二极管的反向电流泄漏也可以更小。微小的正向压降减少了功耗和自热，延长了电池寿命（见图1）。

图1 简化的电源通路控制电路

电池充电器与电源通路控制器和理想二极管器件（电源通路管理器）集成，可高效管理多种输入电源，为电池充电，向负载供电并降低功耗，所有这一切都是在一个外形尺寸极小的集成电路中实现的。电源通路控制电路可以采用线性或开关拓扑，这两种拓扑对系统而言都有各自的优点。后面将评介这两种架构，而较传统的线性“充电器馈送型”系统将作为性能比较的基础来介绍。

线性充电器馈送型系统

第一代USB系统直接在USB端口和电池之间插入限流电池充电器，由电池为系统供电。在这种“电池馈送型”系统中，可用系统功率可以表示为I_USB×V_BAT，因为V_BAT是系统负载唯一可用的电压（见图2）。输入电流约等于充电电流，因此无须附加输入限流。系统负载直接连接到电池上，不需要理想二极管。所受到的一些限制包括：低效率；从USB吸取的电流限制到500mA；电池没电或缺失（以及电池电压低）时，没有系统电源；将近一半的可用功率损失在线性电池充电器单元内。

图2 简化的“电池馈送型”控制电路

线性电源通路系统

第二代USB充电系统在USB端口和电池之间采用了中间电压。这种中间总线电压拓扑称为电源通路系统。在电源通路集成电路中，USB端口和中间电压V_OUT之间放置了一个限流开关。V_OUT为线性电池充电器和系统负载供电。这种系统的优点是，电池与系统负载之间被隔断了，因此一有机会就可以进行充电（见图3）。该电源通路系统还实现了“即时接通”工作，因为电源一加到电路上，中间电压就可用于系统负载。这允许最终产品一插电就立即工作，而不论电池的充电状态如何。在线性电源通路系统中，只要未超过输入电流限制，那么USB端口提供的2.5W功率的大部分就可由系统负载获得。因此，与电池馈送型系统相比，线性电源通路系统具有极大的优点。但是，仍有很多功率损失在线性电池充电器单元中，尤其是电池电压较低时（输入电压和电池电压之间产生大的电压差）更是这样。注意，就个别的交流适配器（或高压）输入通路而言，可能会做些调节，就以较高效率工作而言，一个可选外部PFET可以降低理想二极管的阻抗。

图3 简化的线性电源通路电路

开关电源通路系统

新的第三代USB充电系统具有基于开关模式的拓扑。此类电源通路型器件从一个符合USB规格的降压型开关稳压器产生一个中间总线电压，该电压被调节至电池电压范围内的某一固定数值（见图4）。这种形式的自适应输出控制称为Bat-Track^TM(电池跟踪)。稳定的中间电压仅调节到足够传给线性充电器恰够充电的电压值。通过这种方式跟踪电池电压，最大限度地减小了线性电池充电器中的功耗，提高了效率，并最大限度地提高了负载可用功率。平均开关输入电流限制最大限度地提高了利用USB电源提供的全部2.5W功率的能力，可选外部PFET则降低理想二极管的阻抗。这种架构对具有大电池（>1.5Ah）的系统而言是“必须”的。像线性电源通路配置一样，开关电源通路系统也提供“即时接通”工作。

图4 简化的开关电源通路电路

解决方案

很多公司都推出了单片锂离子/聚合物开关电源通路管理器，凌力尔特公司的LTC4088就是其中一种。它能提供1.5A充电电流，适用于快速充电应用。该器件具有同步整流、“即时接通”工作和Bat-Track自适应输出控制能力，可实现高效率工作。LTC4088的电源通路控制功能和开关模式架构最大限度地提高了可从USB获得的功率，而且低阻抗“理想二极管”MOSFET产生热量较少。由于节省了功率，因此LTC4088允许V_OUT端的负载电流超过从USB端口吸取的电流而不会超过USB负载规范（见图5）。其扁平14引脚、3mm×4mm DFN封装和很少的外部组件可为媒体播放器、智能电话、数码相机、手持式计算机和GPS系统组成简单、紧凑和经济的解决方案。
高效率开关模式电源转换允许标准USB端口提供高于700mA的充电电流(不是限制到500mA，而是限制到大约2.3W)，LTC3555就是这样的产品。该PMIC将USB开关电源通路管理器和电池充电器与3个同步降压型稳压器和LDO结合在一起，采用小型28引脚（4mm×5mm）QFN封装，可提供完整的电源解决方案（见图6）。

图5 从USB获得的LTC4088充电电流