新一代ASSP优化手持设备中的电源管理

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去年，消费者购买了十亿多部手机，2.2亿台笔记本电脑，1.4亿只MP3，9千万数码相机(DSC)以及1千万套个人导航设备(PND)。依据内部系统架构来说，所有的这些设备都有一定的共性。首先，它们都是由电池供电的，通常都是利用某种锂离子电池(Li-Ion)作为主电源，而利用另一个输入电源作为备份或者为了充电。其次，它们都内置了一定的存储设备，通常包括某种ROM、RAM或NAND闪存，而在许多时候还有一个硬盘(HDD)或SDIO卡。根据技术调查机构IDC的最新研究，去年全世界共生产了1610亿Gb的数字信息。这相当于需要用20亿台iPod来存储这些信息。
但是，上面没有提及的另一类产品，就是将上述产品功能中的两种甚至三种组合到一起的产品，如便携式媒体播放器(PMP)或数字媒体广播(DMb)产品。这些产品也利用锂离子电池作为主电源，并具有很大的存储容量。它们正在成为消费电子领域中的重要播放设备。
PMP或DMb产品的一个关键优点是他们都能播放MP3和MP4格式。因此，利用一台设备就可以欣赏来自DVD-CD或者从网站上下载的音乐和电影。典型地，设备的存储媒质可以存储超过150小时的视频或者1200小时的音乐。但是，和其他任何依赖电池供电的手持设备相类似，这些PMP设备的制造商面临前所未有的压力，他们必须将诸多的功能集成到体积和外形受限的结构里，同时还要提供更长的工作时间。
由于绝大多数PMP都具备视频播放和MP3播放的功能，内部电路要求多个功率电平不等的低电压轨。其原因是很清楚的，因为大多数数字大规模集成电路的工作电压为1.5V或更低。同时，存储器和I/O所需电压为2.5～3.3V。于是，采用多负载点(POL)DC/DC变换器对来自锂离子电池的电压进行直接变换是不现实的，系统设计师必须采用更多的集成方案。
绝大多数电池供电的手持设备都利用一块定制集成电路(ASIC)来处理电池充电、功率通道控制、提供多路电源电压，以及保护功能(例如实际的输出开路和精密的USb电流限制)等。采用这种方案的目的很明确，就是可以用一枚器件来满足所有的电源管理方面的需求。不过，这种方案也存在一些缺点。首先，ASIC是采用特定的晶圆制造工艺来制造的，要实现每个功能的最佳性能非常困难。其次，对于短动态设计周期的设计变得更为重要的是ASIC的定义和研发所导致的交货周期过长。一般来说，一块电源管理ASIC从概念到交货需要的时间在一年半以上。而在此周期内，一种特定的产品设计可能已经更改了三次或更多。
用于电源管理的应用定制标准产品
绝大多数的电池供电的手持设备通常可以用一个AC适配器，一个通用串行总线(USb)，或者一块锂/聚合物电池来供电，但是，如何实现这些电源间的电源通道控制是一个很大的技术挑战。直到最近，设计师还在试图利用分离的方式，即用一组MOSFET以及运算放大器等来实现这一功能，但他们面临着很大的问题，如热插拔和很大的瞬间电流等，这些都会引起很大的系统问题。
在各类电池供电的手持设备中的功能和性能方面存在一定的共性，这些产品中可以使用应用定制标准产品(ASSP)，且没有在单晶圆制造工艺中出现的与IC制造相关的性能折衷。Linear公司最近开发出了新一代的这类产品-LTC3555，该产品代表着这类应用中的性能和功能上的一个新水平。
LTC3555无缝地管理交流适配器，USb和锂离子电池之间的功率流，符合USb标准，所有部分均封装在一个4×5mm QFN内。似乎这还不足够，它还带有一个全功能的锂离子/聚合物电池充电器，能够提供高达1.2A的充电电流，再加上三个用来产生绝大多数USb外设所需的低电压轨的高效率同步降压转换器。此外，LTC3555还提供一个恒定的25mA的低压差线性调节器来为实时时钟(RTC)和低功率逻辑电路供电。整个器件可以通过一个简单的I2C接口或简单的I/O口来控制。




图1：LTC3555的简化方框图和原理图。
LTC3555的应用电路图如图1所示，图中显示了多功能的实现原理。DC/DC变换是一个相对简单的降压变换。LTC3555的三个片上降压变换器都工作在电流模式控制，效率高达95%，具有I2C或芯选触发突发模式或自动的触发突发模式。DC/DC变换器的开关频率为2.25MHz，允许使用很小的外部电容和电感。这些降压变换器的连续输出电流分别为1A，400mA和400mA，输出电压在0.8-3.6V之间可编程。
LTC3555的功率提供方法与现有的电池和电源管理IC不同，实际上是电荷馈送(charger-fed)系统。在一般的电源管理IC中，外部电源并不直接为负载供电。而是由AC适配器或USb口为电池充电，然后再为负载供电。在电池被过度放电或根本就没有任何电量的情况下，为负载供电会有一个延迟。这是因为电能无法直接从电池取走，直到电池获得了所需的最少量的电荷后方可。使用LTC3555后，就可以消除该延迟，只要墙体适配器或USb一插上就可以立即为手持设备供电。此外，芯片可以取走负载未用的功率，并用它为电池充电。
这两个优点(即省去了充电延迟以及同时充电和为负载供电)延长了有效的工作时间，并且在连接到USb时加速充电。这种电源管理技术的另一个优点是提高了使用效率，只要有AC或USb电源即可。这种情况下，可以省去不需要的变换级(用于电池充电)。
高效率开关电源通道控制器
与有一个线性电源通道控制器的上一代产品LTC3455不同，LTC3555有一个高效率的开关模式电源通道控制器。专门为USb应用而设计，LTC3555的电源通道控制器整合了一个精密平均输入递降开关调节器，这样可以最大限度地利用可用的USb功率。因为电能被保存，LTC3555允许VOUT上的负载电流超过USb口吸取的电流，但不超过USb负载规范的要求。电源通道开关调节器与电池充电器相互通信以确保输入电流不会超过USb的指标限制。更进一步，从bAT到VOUT之间的理想二极管保证了功率可以始终送到VOUT，即便是没有足够的功率或者在VbUS上根本就没有电源的情况下也是如此。




图2：LTC3555电源通道方框图。
当VbUS可用时并且电源通道开关调节器激活时，就可以通过SW将电源从VbUS送到VOUT(见图2)。VOUT驱动外部负载(图1中的开关调节器1，2和3)和电池充电器组成的混合负载。如果混合负载没有超过电源通道开关调节器的编程输入电流限制，VOUT将跟踪0.3V(电池电压以上)。通过保持电池充电器上的电压为低，效率被优化，因为损失到线性电池充电器上的功率被减到了最小，其结果是送到负载上的可用功率被优化。
如果VOUT的混合负载足够大，能引起开关电源达到编程输入电流的限制值，电池充电器将充电电流降低所需的量，以满足外部负载需求的值。即使电池电流被设置得超过了允许的USb电流，也不会超过USb规范，因为开关调节器会始终限制平均输入电流，以确保不会出现这种情况。进一步说，VOUT上的负载电流始终是优先的，只有剩余的功率才被用来对电池充电。
如果电池电压低于3.3V，或者电池不存在，而且负载的需求不会引起开关调节器超过USb规范的要求，VOUT将会降到一个位于3.6V与电池电压之间的某个值上。如果电池不存在，而负载有超过了可用的USb功率，VOUT将会跌落到地电平。
LTC3555内含一个理想二极管(见图2)，还有一个用于一个可选的外部理想二极管的控制器。该理想二极管控制器始终处于接通状态，从而在VOUT低于电池电压时将快速响应。如果负载电流增加到超过了开关调节器所允许的功率，将会通过理想二极管从电池吸取功率。此外，如果到VbUS(USb或墙体适配器)的功率被拔掉，则所有的应用功率将都经过理想二极管由电池提供。从输入功率到电压为VOUT的电池功率的转换非常快，只允许使用一个3uF的电容器来避免VOUT下降。实现这一点是可能的，因为该理想二极管中包括一个精密放大器，当VOUT上的电压比电池电压低大约15mV(VFWD)时，放大器启动一个大功率的片上P沟道MOSFET晶体管。内部理想二极管的电阻大约为180mΩ，利用一颗外部电阻，该值可以减小到50mΩ。
很清楚，对于电池供电的手持设备的设计师来说，有许多选项来确保电池寿命对于其特定的应用来说是最优化的。一个性能最优的、多功能的ASSP能够提供实现最佳系统功能所需的电压或功率电平，同时确保在正常工作时电池的漏功率减到最小。