技術(shù)背景

當(dāng)今便攜式電子設(shè)備的小型化和高集成度發(fā)展趨勢要求延長電池工作時間，降低功耗，并且限制其設(shè)備內(nèi)部IC及其相關(guān)外圍元件占用印制電路板的尺寸。由于電池技術(shù)的進(jìn)步延長了電池工作時間并且減小了最終產(chǎn)品的尺寸，對于加速發(fā)展這種趨勢一直起到促進(jìn)作用?？稍俪潆姷睦庵?a target="_blank">鋰離子電池/聚合物鋰電池已經(jīng)將它們用作給中等到高端便攜式電子設(shè)備提供電源的先進(jìn)化學(xué)電池，從而可提供最合適的外形尺寸、合用的電壓范圍、電能密度 (容量) 和電池壽命。因此，當(dāng)人們一旦注意到鎳鎘 (NiCd)電池的有毒性時，人們正在尋找將新的鋰離子電池用于大電流應(yīng)用的途徑 (例如電動工具)。而且新的鋰離子化學(xué)電池 (例如磷酸鋰電池) 正在興起，它與傳統(tǒng)的鋰電池/聚合物鋰電池相比，它提供較低的可用工作電壓范圍，較低的串聯(lián)電阻和較高的安全性。

最近新推出了一種一次性鋰電池 (例如Energizer “e2” 電池)，其尺寸與堿性電池一樣大。它們不但延長了電池工作時間，而且具有尺寸小巧、使用方便和價格便宜的特點(diǎn)，非常適合那些以前習(xí)慣使用堿性電池和鎳電池的便攜式設(shè)備的客戶 (例如數(shù)碼相機(jī)和手持GPS)。這些電池超出了可再充電的鋰離子電池、聚合物棱柱形電池、堿性AA或AAA電池以及可再充電的鎳金屬氫化物 (Ni/MH) 電池的范圍，從而擴(kuò)大了便攜式電子設(shè)備工程師的選擇范圍。這種電池與其他的不可再充電的堿性電池或鎳電池比較，其延長電池壽命的優(yōu)點(diǎn)要比其初期成本高的缺點(diǎn)更重要。相比之下，可再充電的NiMH電池具有相對低的電能密度，但它是一項(xiàng)成熟的技術(shù)，而且成本低、無毒性，所以一直用于許多便攜式電子設(shè)備之中。可再充電和不可再充電的堿性電池在低端電子設(shè)備中一直很流行，它具有很低的自放電和低成本特點(diǎn)以彌補(bǔ)其相當(dāng)?shù)偷碾姵貕勖?/p>

設(shè)計挑戰(zhàn)

毋庸置疑，當(dāng)今電池供電的便攜式電子產(chǎn)品設(shè)計師都在接受相當(dāng)?shù)脑O(shè)計挑戰(zhàn)。這些設(shè)計師為了適應(yīng)系統(tǒng)復(fù)雜性、電能預(yù)算和散熱管理不斷提高的趨勢，勢必要求高性能電源管理結(jié)構(gòu)。這樣的系統(tǒng)應(yīng)該在電池工作時間、與多個電源的兼容性、高功率密度、小外形尺寸和高效散熱管理之間達(dá)到最佳均衡。必須做到精心地選擇電池，連接其他電源 (USB、墻上適配器等) 給系統(tǒng)供電，因?yàn)殡姵貕勖碗姵毓ぷ鲿r間顯然是重要考慮。

與此同時，系統(tǒng)中的功能不斷增加迫使系統(tǒng)功耗的提高，當(dāng)設(shè)備工作時自然要降低電池的工作時間。對于可再充電的電池，隨后的充電和再充電周期會使電池的壽命受到限制，尤其是在再充電頻率很高的情況下。在電池供電情況下，電源管理IC的高電池耗電、高靜態(tài)電流 (IQ、無負(fù)載) 和低功率轉(zhuǎn)換效率都會對電池工作時間產(chǎn)生負(fù)面影響。因此，在可再充電電池和不可再充電電池兩種情況下，設(shè)計師為了向最終用戶提供長的電池工作時間都必須權(quán)衡產(chǎn)品性能、靜態(tài)電流與工作電流、系統(tǒng)功耗和轉(zhuǎn)換效率。

上述這一切都將成為過去，這要多謝新推出的低功耗電源管理集成電路 (PMIC)，與其他傳統(tǒng)的高耗電和高熱量PMIC相比，現(xiàn)在的 PMIC 對系統(tǒng)提供了高效電源，而且僅需最少的外圍組件、顯著減小了尺寸和大幅地提高性能。另外，與笨拙的低性能分立IC解決方案相比，這些新的PMIC可大大簡化設(shè)計并且縮小解決方案的尺寸。

簡單的解決方案—帶超低IQ和高效開關(guān)穩(wěn)壓器的PMIC

在寬負(fù)載范圍內(nèi)具有低靜態(tài)電流和工作電流并且?guī)в懈咝ч_關(guān)穩(wěn)壓器的IC，有助于在便攜式電子設(shè)備中保持電池工作時間。凌力爾特公司(Linear) 推出的PMIC帶有 PowerPath控制、超低靜態(tài)電流與待機(jī)電流、以及一流的集成功能單元電路 (例如高效可編程同步降壓-升壓型和降壓型開關(guān)穩(wěn)壓器) 既簡單又輕松地解決了這些設(shè)計挑戰(zhàn)。這之所以成為可能，因?yàn)樵?PMIC 開發(fā)中采用了不同的方案，使用了較多可選的集成度以提供一個緊湊的解決方案，而無需犧牲性能。

例如，LTC3554是一款適合鋰離子/聚合物電池應(yīng)用的微功耗多功能PMIC。LTC3554 包括了一個USB兼容的線性PowerPath管理器、一個獨(dú)立的電池充電器、兩個高效同步降壓型穩(wěn)壓器和一個按鍵控制電路，它采用超薄 (0.55mm) 的3mm x 3mm UTQFN封裝。當(dāng)全部輸出保持穩(wěn)壓時，可選擇的待機(jī)模式引腳 (詳見圖1) 可使電池的損耗電流減小到只有10μA。

圖1 LTC3554 在待機(jī)模式下的電池?fù)p耗電流

當(dāng)LTC3554從一個USB 端口或5V墻上適配器提供高達(dá)400mA的電池充電電流時，它的PowerPath管理器能自動控制負(fù)載的優(yōu)先順序，渾然一體地管理多輸入電源之間的切換以便向負(fù)載加電。輸入電流限制是引腳可選的，并且內(nèi)部設(shè)置以滿足USB的電源規(guī)范 (需外部電阻器)。LTC3554的輸入電壓允許高達(dá)5.5V，為了提高堅(jiān)固性，其絕對最大瞬態(tài)電壓為7V。該IC的“即時接通”運(yùn)作特性確保電池甚至在完全放電的情況下也可對系統(tǒng)供電。它的自主性工作能力簡化了設(shè)計，從而無需一個外部管理器來終止充電。

LTC3554包括兩個內(nèi)置的同步降壓型穩(wěn)壓器，它們以 100% 占空比工作，并且每個穩(wěn)壓器能夠提供高達(dá)200mA的輸出電流，可調(diào)節(jié)輸出電壓低至 0.8V。為了增加靈活性，這兩個穩(wěn)壓器可獨(dú)立控制使能和停用，并且其振蕩頻率和對應(yīng)轉(zhuǎn)換速率也是引腳可選的 (1.125MHz 或2.25MHz)，從而允許應(yīng)用電路動態(tài)地對效率和EMI性能作出權(quán)衡。該IC 的高開關(guān)頻率特性還允許使用小尺寸低成本電容器和電感器。其內(nèi)置低 RDS(ON) 開關(guān)能夠提高效率高達(dá)93%，并且使電池工作時間達(dá)到最長。另外，突發(fā)模式 (Burst Mode) 在輕負(fù)載時優(yōu)化了效率，每個穩(wěn)壓器的靜態(tài)電流僅25μA (在停機(jī)模式下 <1μA)，詳見圖1。另外，該穩(wěn)壓器使用陶瓷電容器時可穩(wěn)定，從而實(shí)現(xiàn)非常低的輸出電壓紋波。

圖2 LTC3554 在突發(fā)模式時的電池?fù)p耗電流

在輕負(fù)載和空載條件下，LTC3554的降壓型穩(wěn)壓器自動地切換到節(jié)能遲滯控制算法，它間歇地操縱開關(guān)以便使開關(guān)損耗最小。這被稱為突發(fā)模式操作，在該模式中，降壓穩(wěn)壓器使電源開關(guān)進(jìn)行足夠次數(shù)的循環(huán)， 以把輸出電容器充電至一個略高于穩(wěn)壓點(diǎn)的電壓。該降壓型穩(wěn)壓器隨后進(jìn)入一種減少靜態(tài)電流的休眠模式。在這種狀態(tài)下，功耗可減到最少，而輸出電容器提供負(fù)載電流。只要輸出電壓降低到穩(wěn)壓點(diǎn)以下，該降壓型穩(wěn)壓器便從休眠模式喚醒，并且再次調(diào)整開關(guān)直到輸出電容器電壓再次稍高于穩(wěn)壓點(diǎn)。因此休眠時間取決于負(fù)載電流，由于該負(fù)載電流決定輸出電容器的放電速率。如果負(fù)載電流增加超過大約50mA，那么該降壓型穩(wěn)壓器要恢復(fù)到恒定頻率運(yùn)作。

當(dāng)STBY引腳置高電平，允許全部開關(guān)穩(wěn)壓器在待機(jī)模式下工作。在這種模式下，穩(wěn)壓器保持輸出處于穩(wěn)壓狀態(tài)，而獨(dú)立的降壓型穩(wěn)壓器的靜態(tài)電流降低到只有 1.5μA。這種模式適合于具有微功耗待機(jī)、休眠或存儲器“持續(xù)運(yùn)作”模式的應(yīng)用。每個穩(wěn)壓器的負(fù)載能力可降低到5mA。待機(jī)模式在負(fù)載極輕的情況下使用，此時，即使是突發(fā)模式操作的低靜態(tài)電流也被認(rèn)為是過大了。

當(dāng)兩個穩(wěn)壓器其各自的PWR_ON引腳的輸入端接低電平時，每個降壓型穩(wěn)壓器都被停機(jī)。在停機(jī)狀態(tài)下，每個開關(guān)穩(wěn)壓器從電源引腳 (BVIN) 只消耗幾個 nA 的損耗電流。每個被禁止的穩(wěn)壓器還可在其輸出端從其開關(guān)引腳對地接一個10kΩ的下拉電阻器。

LTC3554提供了一個集成按鈕接口，該接口使得能夠利用單個按鈕來完成應(yīng)用電路的上電和斷電操作，并通過PBSTAT輸出來發(fā)送用戶輸入信號。初次撳按按鈕將對降壓型穩(wěn)壓器的上電操作進(jìn)行排序，并向應(yīng)用電路供電。后續(xù)的按鈕撳按將由 PBSTAT 輸出端上的一個低電平信號來指示。通過監(jiān)視PBSTAT信號，應(yīng)用的微處理器就能夠改變操作或按照某個按鈕命令來執(zhí)行斷電操作。另外，按鈕接口還具有一種 “硬復(fù)位”狀態(tài)，通過撳按按鈕達(dá) 5 s以上即可達(dá)到該狀態(tài)。硬復(fù)位將把兩個降壓型穩(wěn)壓器全部斷電，并將LTC3554置于一種超低電流 (<1μA) 狀態(tài)，從而節(jié)省電池的運(yùn)行時間 (見圖1)。硬復(fù)位可用于給應(yīng)用電路斷電，或?qū)崿F(xiàn)從一種應(yīng)用微處理器的軟件閉鎖狀態(tài)回復(fù)到正常狀態(tài)。

超低IQ PMIC

采用不可再充電電池 (例如：堿性電池或Energizer“e2”鋰電池) 甚至在終端產(chǎn)品的外部進(jìn)行充電的電池 (比如：鎳電池或可再充電堿性電池) 來給中低端便攜式電子產(chǎn)品供電的情況很常見。為了滿足此類設(shè)備的需要，凌力爾特開發(fā)了微功率PMIC —— LTC3101。通常在采用兩節(jié)AA電池供電的應(yīng)用中，人們使用一個升壓型穩(wěn)壓器來產(chǎn)生3.3V電壓軌。然而當(dāng)采用e2鋰電池時，由于電池電壓較高，VBAT 會高于 VOUT，因此升壓型解決方案要么不起作用，要么效率非常低 (取決于所采用的升壓型轉(zhuǎn)換器類型)。不過，由于LTC3101采用一個內(nèi)部降壓-升壓型轉(zhuǎn)換器來產(chǎn)生3.3V電壓軌，因此沒有輸入電壓限制，并且能夠輕而易舉地處理 e2 鋰電池?？傊祲?升壓型轉(zhuǎn)換器的有效性并非僅僅因?yàn)樗峁┝藦腢SB/鋰電池/5V 墻上適配器輸入獲取工作電源的能力，而且還在于必需在采用所有可能的兩節(jié)AA電池輸入時實(shí)現(xiàn)高效運(yùn)作。

LTC3101“ 始終保持運(yùn)行”的 VMAX 和 LDO 輸出負(fù)責(zé)為關(guān)鍵的功能電路或附加的外部穩(wěn)壓器供電。內(nèi)部排序電路和獨(dú)立的使能引腳提供了靈活的上電和斷電選項(xiàng)。此外，該IC的 PowerPath 控制電路還運(yùn)用一種低損耗 PowerPath 控制拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)在這些多種輸入電源之間實(shí)現(xiàn)了無縫和自動的功率通量管理。每個開關(guān)電源的輸入都具有一個額外的開關(guān)MOSFET，一個FET連接至BAT輸入，而另一個FET則連接至USB輸入。這使得該IC能夠自動選擇其將要使用的輸入 (如果USB和電池均存在)，并在采用任一種輸入電源進(jìn)行操作的情況下優(yōu)化效率。

LTC3101 的降壓-升壓型穩(wěn)壓器能夠連續(xù)提供高達(dá)800mA的電流 (當(dāng)輸入電壓高于3V)，并非常適合在1.8V至5.5V的完整輸入電壓范圍內(nèi)對一個 3.0V 或 3.3V 輸出進(jìn)行高效調(diào)節(jié)。LTC3101 的兩個降壓型穩(wěn)壓器均具有 100% 的占空比工作，各能提供高達(dá) 350mA 的輸出電流，并具有低至 0.6V 的可調(diào)輸出電壓。其內(nèi)部低 RDS(ON) 開關(guān)實(shí)現(xiàn)了高達(dá) 95% 的降壓-升壓效率和高達(dá) 93% 的降壓穩(wěn)壓器效率，從而最大限度地延長了電池的運(yùn)行時間。此外，突發(fā)模式操作還在輕負(fù)載條件下優(yōu)化了效率，總靜態(tài)電流僅為 38μA (當(dāng)所有穩(wěn)壓器均被使能) 和 15μA (在待機(jī)模式中，這時 LDO 和 MAX 輸出處于運(yùn)行狀態(tài));詳見圖3 和圖 4。1.27MHz 的高開關(guān)頻率允許使用纖巧的低成本電容器和高度 <1mm的電感器。另外，所有的穩(wěn)壓器均在采用陶瓷輸出電容器的情況下保持穩(wěn)定，從而實(shí)現(xiàn)了非常低的輸出電壓紋波。

當(dāng)PWM引腳被強(qiáng)制為低電平時，兩個降壓型穩(wěn)壓器都將在突發(fā)模式操作和PWM模式之間自動地切換，即：當(dāng)負(fù)載足夠輕時 (低于約 10mA) 工作于突發(fā)模式，而在負(fù)載較重時則執(zhí)行PWM模式操作。在壓差操作中，有源P溝道開關(guān)將處于持續(xù)接通狀態(tài)，旨在最大限度地延長電池的使用壽命，詳見圖4。

圖3 在突發(fā)模式操作中LTC3101穩(wěn)壓器的靜態(tài)電流

圖4 在待機(jī)模式中LTC3101的總靜態(tài)電流

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