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2020年5月26日星期二
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高端便携式产品需要高性能电源管理器集成电路

High-End Portable Products Need High-Performance Power Manager IC

凌力尔特公司产品市场工程师 Steve Knoth



由电池供电的产品(如个人媒体播放器、智能电话、便携式游戏机和GPS导航设备) 都是靠 USB 端口工作的,这些产品不断集成新功能,将自己演变成更加方便和有用的产品,这促进了高端消费电子产品市场的发展。功能增加需要容量更高的电池(如锂离子/聚合物电池)以驱动这些功能。人们想要小的外形尺寸、更多功能、便携性和灵活性以及能迅速安全地给电池充电,这些要求为产品设计工程师带来了很多挑战。


关键的设计难题

从最终用户的角度来看,在线性和开关模式拓扑电池充电集成电路之间需要做出设计权衡。与 LDO 类似,线性电池充电器占用空间较少,使用的外部组件也较少(即无需电感器),但是效率较低、能提供的功率较低,并产生更多热量。但是,在成本和节省电路板空间比实现最佳效率更重要时,线性充电集成电路也许更适用。否则,开关模式拓扑更有利。高效率充电、电池充电器集成电路中功能的高度集成、高效率使用电路板空间、提高产品可靠性等需求给由电池供电的电子产品的设计带来了压力。开发具有以下特点的设计是设计师面临的难题:

? 主管理多个电源或负载;
? 在充电的同时最大限度地提高 USB供电的功率和效率;
? 最大限度地减少热量;
? 用大电流充电以实现更快的充电;
? 高压工作,如在汽车应用中;
? 减小解决方案占板面积和封装高度。


解决方案

电源管理器:电源通路控制和理想二极管

今天,很多由电池供电的便携式电子产品都可以用交流适配器、汽车适配器、USB 端口或锂离子/聚合物电池供电。不过,对各种不同的输入电源之间的电源通路控制进行自主管理在技术上是一个巨大的挑战。传统上,设计师都是用少量 MOSFET、比较器和其他分立组件以分立方式实现这一功能,但是他们用这种方法时面临着热插拔、大浪涌电流等重大问题,这些问题可能引起系统可靠性问题。最近,甚至分立集成电路解决方案也需要附加几个芯片才能实现一个实用的解决方案。而集成式电源管理器简单和轻松地解决了这些问题。

电源通路控制允许最终产品插上电源插头后立刻工作,而不管电池的充电状态或者即使电池缺失也没有关系,这叫做“即时接通”工作。一个具有电源通路控制的集成电路向设备提供电源并用USB总线或交流适配器电源为设备的单节锂离子/聚合物电池充电。为了确保一个完全充电的电池在总线连接时保持满电量,具有电源通路控制的集成电路通过 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,这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常规二极管或肖特基二极管,而且理想二极管的反向电流泄漏也可能较小。微小的正向压降减少了功率损失和自体产生的热量,从而延长了电池工作时间。

最大限度地提高USB供电的功率和效率

使 用线性充电器时,充电电流增大会产生更 多的功耗或热量。用 USB 端口供电时,充电器集成电路必须根据主控制器已经协商好的模式,将从总线吸取的电流限制为100mA(500mW)或500mA(2.5W)。在用线性电源通路系统 充电时,只要未超过输入电 流限制,来自 USB 端口的 2.5W 功率就几乎全部提供给系统负载。在这种情况下,V OUT 仅比输入电压低一点(例如 5V)。不过,既然电池电压可能比5V输入低得 多 ,那么大量功率(V IN 与 V OUT 之差乘以充电电流)仍将损失在线性电池充电器的传递组件中。开关电源通路设计利用了 电池跟踪(Bat-Track)功能。电池跟踪是一种自适应输出控制方式,采用这种方式时,输入电路开关稳压器的输出电压自动跟踪电池电压。通过保持电池充电器上的电压尽可能低,这种方式实现了可用输入功率的最佳利用,因此极大地提高了电池充电器传递组件的效率。

LTC4088 将这些有助于实现高效率的功能集成到了一个紧凑的3mmx 4mm DFN 封装集成电路中,该器件仅需要最低限度的外部组件(图1)。LTC4088 是一个自主式高效率开关电源管理器、理想二极管控制器和1.5A (来自交流适配器)独立电池充电器,用于有 USB 端口供电的便携式设备。其开关型前端拓扑具有电源通路控制和电池跟踪功能,减轻了空间受限的便携式电子产品的热量管理问题,而且对采用高容量电池的这类产品尤其有利。

图1 LTC4088的典型应用电路(略)

LTC4088的开关模式前端拓扑还允许VOUT上的负载电流超过USB端口吸取的电流,而且不超出USB负载性能规格。功率保持实现了高达700mA 的电流,从而能用USB端口(图 2)快速充电。如果电源被去掉,那么该集成电路确保通过流经内部低损耗180Ω 理想二极管的电流从电池向应用的负载提供系统电源,从而最大限度地降低压降和功耗。

图2 LTC4088的充电电流与电池电压(略)

兼具高输入电压和USB兼容性

能够承受Firewire/IEEE1394、12V 至 24V 交流适配器、未稳压的较高电压(>5.5V)交流适配器或汽车适配器输出等高输入电压源,就可以在住宅或工作场所以外的地方实现快速充电。使用这些电源时,手持产品中适配器电压和电池电压之间的压差可能非常大。因此,视所需充电时间和充电电流的不同,线性充电器也许不能应对功耗问题。在这种情况下,也许需要一个具有开关模式拓扑的集成电路来保持快速充电,同时提高效率并减轻热量管理问题。需要指出的是,线性充电器/电源管理器也可以快速充电,而且在用输入 <5.5V 的 USB、锂离子/聚合物电池或交流适配器供电时,也许更适用。不过,一个具有高压能力的集成电路不易受到输入电压瞬态的影响,同时提高了集成电路和系统的抗瞬态性和可靠性。

LTC4089 具有上述关键特点(图3)。该器件是一个自主式线性电源管理器、理想二极管和独立高压及高效率 1.2A 电池充电器,具有高压开关稳压器前端,与 12V 交流适配器、汽车适配器、FireWire 端口等高达 36V(40V 最大值)的高压电源兼容。另外,该器件可接受 5V 适配器、USB 等低压电源。电池跟踪自适应输出控制极大地提高了充电器的效率,片上有 200mΩ 低损耗理想二极管,以最大限度地降低压降和功耗。

图3 LTC4098的典型应用电路(略)


结论

凌力尔特公司不断扩充的电源管理器/电池充电器集成电路系列使产品设计师的工作更加轻松了,这个系列有广泛的高性能属性可供选择,从具有充电器以快速充电的高压线性电源管理器到具有充电器的高效率开关模式电源管理器,这个系列全面涵盖了各种电源管理器产品。

《世界电子元器件》2007.8
         
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