研诺新款IC AAT2601的完整电源解决方案

Abstract: 概要：

便携式和手持式设备设计师一直在为他们已经功能十分丰富的产品增添新的激动人心的功能，这一令人难以置信的朝着前所未有设计复杂度发展的趋势，对硬件和软件的整体系统设计提出了很高的要求。这些设备还必须在所有工作条件下表现出很长的电池寿命，这反过来又对电源分配子系统提出了很高的要求，这类子系统通过提供高度复杂、高度功能化的功率密度解决方案已经在该领域加速了令人瞠目结舌的进步。AnalogicTech公司提供可满足这些非常苛刻要求的一系列完整的和集成化的单片IC解决方案。在本文中，我们将详细讨论其中的一款IC，即AAT2601，并展示它如何为好几种不同应用提供完整电源解决方案。

引言：

AnalogicTech公司可提供范围非常大的电源转换解决方案，它们都是针对便携式和手持式电池供电电子设备而特别设计的。

最新公布的AAT2601是以下便携式应用的整体电源解决方案，如：

•    数码相机
•    GSM或CDMA手机
•    手持式仪器
•    PDA和手持式计算机
•    便携式多媒体播放器

该单片IC解决方案是AnalogicTech整体电源管理IC（TPMIC）产品系列的一个成员，它采用了散热性能更好的5×5×0.8mm小外形36引脚TQFN封装。

这一先进的电源模块单元（PMU）可提供一系列的集成性能和功能，它们有助于优化电源分配性能和PCB板面积。下面是其中一些性能和功能：
•    4.5V到6V的输入电压范围
•    一个电池充电器
    数字化热量调节
    充电电流可编程到1.4A
    充电电流终端匹配编程
    可用作电池预处理的自动涓流充电
    一个用于核心应用的完全集成降压同步转换器，它带有内部补偿可节省应用设计时间和允许更快的上市时间。它采用1.5MHz的开关频率，从而可在保持很低开关损耗和提供93%以上峰值效率的同时，将外部元件尺寸最小化。
•    五个低压降稳压器LDO。所有LDO输出电压可采用I2C接口进行编程。所有LDO提供60dB电源抑制比PSRR，其低噪声运转性能使得它们非常适合为噪声敏感负载提供电源。
•    所有六个电压稳压器的静态电流都很低。在降压转换器和2个LDO工作时，总的无负载电流仅有170μA。

电源系统要求：

所有便携式消费电子应用都依靠某种需要周期性充电的电池进行工作。电池要求一个非常严格的充电方法学，以保证在维持安全工作的同时进行成功的充电。这些设备采用的CPU要求一个稳压的核心电压，它必须具有杰出的瞬态响应和高电源转换效率。各种其它功能要求多个低压降稳压器LDO，来为所有相关的电路提供电源。

详细的模块描述

功能方块图

                  图1：AAT2601的功能方块图 

图1描述了AAT2601 PMU的功能方块图。AAT2601是一个完整的电源管理解决方案。它无缝地集成了一个智能、独立CC/CV（恒流/恒压）、线性模式单节电池充电器、一个降压转换器和五个LDO，以从墙上适配器或一个单节锂离子/锂聚合物电池产生电源。内部负载开关允许LDO稳压器和同步降压DC-DC转换器选择在最佳的电源（AC墙适配器、USB口电源或电池）下工作。

如果系统中只有电池，那么电压稳压器和转换器可直接通过一个100mΩ负载开关从电池供电，此时，充电器进入睡眠模式并仅消耗不到1μA静态电流。

如果系统连接到一个墙适配器，那么电压转换器可直接通过一个500mΩ负载开关从墙适配器供电，电池则与电压转换器输入脱开连接。这允许系统在不管电池充电状态或没有电池的情况下工作。

降压同步转换器

AAT2601含有一个高性能300mA、1.5MHz同步降压转换器。该降压转换器设计用于确保在100A到300mA的整个负载电流谱上具有很高效率性能，峰值效率超过93%。它只需要3个外部电源器件：输入和输出陶瓷电容、以及一个输出指示器。一个带内部补偿的高DC增益差错放大器控制输出。

它可提供杰出的瞬态响应和负载/线路稳压。典型的瞬态响应时间不到20μs。该转换器具有软启动控制性能，以限制浪涌电流和LDO输出端的占空比转换到100%。电源器件的选择既要满足300mA负载电流的要求，又要在整个负载上维持超过88%的效率。 

其转换器是一个峰值电流模式降压转换器，内部大带宽环路控制电感峰值电流。电感电流通过用作高端或控制开关的P沟道MOSFET感应出来，它也用于短路和过载保护。一个固定斜率的补偿信号被叠加到感应电流之上，以保持占空比大于50%的应用的稳定性。带输出电容的峰值电流模式环路用作电压编程电流源。

电压差错放大器的输出用来控制电流模式环的必要峰值电感电流，以强制输出一个适用于所有负载和线路情况的恒定输出电压。

电压反馈电阻分压器是内部的，差错放大器参考电压是0.45V。电压环路有一个很高的DC增益，它是专为杰出的DC负载和线路稳压而设计的。内部电压环路补偿位于跨导电压差错放大器的输出端。

降压转换器也具有软启动性能，当输入电压或使能输入最初施加上去时，它可缓慢地增加内部参考电压。它可限制输入端看得到的浪涌电流，并可消除输出电压过冲，从而可提供安全和可靠的性能。

在过载情况下，峰值输入电流是受限制的。随着负载阻抗降低和输出电压快掉到零时，更多的功率在内部消耗掉，并升高设备温度。热保护功能可在内部功耗变得过高时，完全切断转换开关，从而可保护设备免受损坏。结过温门槛是140°C，迟滞温度范围是15°C。

I2C接口

I2C接口内部嵌进了很多性能，如充电器的编程和输出电压设定，凡此种种。

这一器件的其中一个关键性能是，通过I2C接口，输出电压可以在限制之内进行调整，它也可称为动态输出电压调整。这是一个非常重要的性能，它允许在低电池、高温度和电池老化等工作条件下优化系统的动态性能。 


电源转换效率

图2：在100A到400mA的负载电流情况下AAT2601的电源转换效率
图中文字：Output Current(mA) 输出电流
Efficiency(%) 效率
效率与负载曲线 
   
降压转换器在感兴趣的所有负载电流上可连续保持很高的效率。在2.7V输入电压下峰值效率超过93%，在4.2V输入电压下峰值效率超过90%。这一高效率允许更长的电池寿命和电池容量的更好利用。高效率和更低的开关损耗允许设备的工作温度更低，而这要求更少的热管理设计和直接导致更高的可靠性。

瞬态响应

•    瞬态负载 

  
Figure 3, Load transient response. Load Transient Response at
10mA-100mA; Vbat=3.6V; VOUT = 1.8V; COUT = 4.7F
图3：负载瞬态响应。测试条件为：10mA-100mA; Vbat=3.6V; VOUT = 1.8V; COUT = 4.7F 

CPU内核电源必须提供内核所需的电压和电流，以及非常快速的负载瞬态响应。瞬态时间是好几个变量的函数，如输出滤波器电感和电容，最重要的是转换器的环路带宽。环路带宽是控制方案和开关频率的函数。典型地，大于开关频率一半的环路带宽实际上是很难实现的，而四分之一或十分之一开关频率的环路带宽是较容易实现的。

图3显示了AAT2601可实现的杰出瞬态响应，观察到的瞬态电压是-70mmV/+58mV。瞬态响应时间大约是杰出的20Sec。

•    线路瞬态响应 
  
图4：同步降压转换器线路瞬态响应，测试条件为Vbat = 3.5V - 4.2V; IOUT = 300mA; VOUT = 1.8V; COUT = 4.7F
图中文字：Measure 测量
Value 数值
Status 状态 
                     
 
该降压同步转换器具有优异的线路瞬态响应。图4描述了输入电压在3.5V到4.2V之间每上一个台阶的线路瞬态响应，图中显示是+65mV/-70mV的电压摆幅。这一性能保证了在线路电压变化下内核电压的混乱保持在规范之内，从而确保了工作的可靠性。

典型的上电和下电顺序

上下电顺序是今天的智能解决方案的关键要求。

在该器件中实现正确的上下电顺序有很大的灵活性。首先是通过使用独立的使能信号，其次是通过使用I2C接口。

此外，该器件还具有其它一些使能输入，它们用于实现AAT2160的自测试和睡眠模式等，它们可帮助用户优化其解决方案。

电池充电器

电池充电器是任何针对便携式应用的PMU的一个关键功能块。

电池充电曲线由以下三个阶段组成：
1.    预电流模式涓流充电
2.    恒定电流模式充电
3.    恒定电压模式充电

1.    预涓流充电

为了维持一个安全的充电环境，电池充电仅在AAT2601电池充电器检测到以下几个条件才会开始。输入电源必须大于最低工作电压UVLO，以及使能引脚ENBAT必须是低电平。

当电池连接到BAT引脚时，电池充电器先检查电池的条件，再决定采用哪种充电模式。

如果电池电压低于预电压门槛VMIN，那么电池充电器将启动预涓流充电模式，并以编程设定的恒流幅度的12%对电池进行充电。

涓流充电对一个深度放电的电池单元来说是一种安全的预防措施。当输入输出电压差为最高时，它还可降低在内部串接导通MOSFET上的功耗。

2.    恒流模式充电电流

涓流充电一直持续到电池电压到达VMIN。一旦到达此点，电池充电器开始恒流充电。该模式的缺省电流水平可使用一个位于ISET引脚与地之间的电阻进行调节。一旦针对缺省充电电流选定了电阻，该电流可通过I2C接口在设定缺省充电电流的40%到180%的范围内进行调节。设定电流可在最低100mA和最高1A之间进行调整。

当ADPP信号变高时，缺省I2C设置是复位。如果USE_USB信号在ADPP信号变高时是高电平，那么充电电流就复位到内部设置的100mA电流，直到微控制器发出另一I2C信号来改变充电电流。

3.    恒压模式充电

恒流充电将一直持续到电池电压到达输出充电电压调节点VBAT_REG。当电池电压上升到调节电压(VBAT_REG)时，电池充电器将转换到恒压模式。VBAT_REG出厂时校准到4.2V(标称值)。恒压模式充电将一直持续到充电电流减少到充电终止电流的末端，该充电终止电流可通过I2C接口进行编程。

充电安全定时器（CT）

在监控充电周期的同时，AAT2601利用一个充电安全定时器来帮助识别受损电池单元，并确保该电池单元安全地充电。其工作流程如下：在启动充电周期之后，AAT2601以编程设定的最大充电电流的12%对电池单元进行充电，一直到电池电压VBAT>2.8V。如果电池单元电压在安全定时器计数终止前没能上升到预设置典型门槛电压2.8V，那么该电池单元就被认为已受到损坏，充电周期也随之终止。如果电池单元电压在定时器计数终止前超过2.8V，那么充电周期就进入快速充电阶段。AAT2601有3种超时周期：涓流充电模式下是1小时，恒流充电模式下是3小时，恒压充电模式下也是3小时。

CT引脚由恒流源驱动，并将在定时电容数值上提供一个线性增长响应。因此，如果定时电容的数值是其标称0.1μF的一倍，那么超时周期也将延长一倍。如果不需要可编程看门狗定时器功能，可以通过将CT引脚接到地上来解除该功能。定时电容应当在PCB板上尽量靠近CT引脚。

陶瓷电容材料（如X7R和X5R类型）是这一应用的上等之选。

应用框图 

图5：应用框图 


图5描述了一个典型的应用框图，它显示了PMU正常工作所需的所有外部元器件，以及显示了微控制器接口。

PCB设计指南

在进行PCB设计时，应当遵循下列布局指南，以确保AAT2601的正常工作：

•    地层应当在AAT2601封装下有一块很大的裸露铜皮垫，它上面有很多连接到所有PCB层的过孔，以保证良好的热散发。
•    电源走线（包括GND走线、LX走线和VIN走线）应当尽量短、直接和宽，以允许大电流流过、降低寄生电感和电阻。到LX引脚的滤波器电感连接应当尽量短。在多层之间走线时，使用多个过孔垫。
•    输入电容应当尽量靠近CHGIN和PGND，以得到良好的电源滤波效果。
•    将开关节点尽量远离敏感的反馈节点。
•    反馈走线应当与任何电源走线隔离开，并尽量靠近负载点。沿着高电流负载走线感应信号将影响DC负载校准。
•    输出电容和输出电感的连接走线应当尽量短，而且在电感下面不应该有任何信号走线。
•    从负载返回到电源地的走线电阻应当保持在一个最小值，方法是尽可能地缩短它们的走线长度。这将有助于最小化由于内部信号地和电源地的电位差而引发的任何DC调节差错。


结论

在本文中，我们回顾了AAT2601 PMU的一些性能，并讨论了该器件是如何以一种非常复杂的架构和小巧封装进行设计的，以优化性能和占板面积。

下面是AAT2601应该再次被明确强调的性能：

1.    AAT2601提供了适合多种应用的完整电源分配解决方案。这包括一个电池充电器、一个同步降压转换器和五个LDO。
2.    同步降压转换器提供杰出的电源转换效率、线路和负载瞬态响应。
3.    AAT2601提供用于对充电器和LDO进行编程的I2C总线接口。
4.    所有的LDO提供60dB电源抑制比PSRR，且其低噪声运行性能使得它们适合为噪声敏感负载提供电源。
5.    该器件采用散热性能更好的小外形5×5×0.8mm 36引脚TQFN封装。
6.    非常低的静态电流，仅为170A
7.    提供过流和过温保护功能，以确保高可靠性。