用下一代ASSP優(yōu)化由電池供電的手持式產品的電源管理

　　2006 年，消費者購買了 10 億多部蜂窩電話，2.2 億臺筆記本式計算機、1.4 億個 MP3 播放器、9000 萬個數(shù)碼相機和 1000 萬臺個人導航設備。所有這些產品在內部系統(tǒng)配置上都有一定程度的共性。首先，它們都是由電池供電的，一般采用某種類型的鋰離子電池作為主電源，同時將其它輸入電源作為備選或用于電池充電。其次，它們都內置了存儲系統(tǒng)，通常由 ROM、DRAM 或 NAND 閃存構成，也有很多產品采用了硬盤驅動器（HDD）或 SDIO 卡。市場調查公司 IDC 最近的研究表明，2006 年全球產生了 1610 億 GB 數(shù)字信息。如果將所有這些信息存儲到 iPod 中，那么總共需要 20 億個 iPod。

　　不過，還有一類產品尚未提及，那就是兼有上述兩種甚至 3 種產品功能的混合式產品，如便攜式媒體播放器（PMP）或數(shù)字媒體廣播產品（DMB）。這些產品也是將鋰離子電池作為主電源，也有大存儲容量。這類產品正在迅速成為消費電子產品領域的重要成員。

　　無論是 PMP 還是 DMB 產品，都有一個主要優(yōu)點，即既可以播放 MP3 也可以播放 MP4 格式的內容。因此，用一個產品就可以聽或看 DVD-CD 或從網站上下載的音樂或電影。一般情況下，這類產品可以存儲 150 多小時的視頻或 1,200 小時的音樂。不過，與任何由電池供電的手持式產品制造商一樣，PMP 制造商也承受著一個日益增大的壓力：要將所有功能塞進一個外形尺寸已經受限的空間中，同時還要讓產品能工作更長時間。

　　由于大多數(shù) PMP 既含有視頻播放器也含有 MP3 播放器，因此其內部電子元件需要多個功率級不同的低壓輸出軌。原因很明顯，大多數(shù)大規(guī)模數(shù)字集成電路的工作電壓為 1.5V 或更低。同時，存儲器和 I/O 的電壓要求為 2.5V 至 3.3V。因此，直接用多個負載點 DC/DC 轉換器對鋰離子電池電壓進行轉換越來越不現(xiàn)實了，系統(tǒng)設計師們正在采用更加集成化的方法。

　　大多數(shù)由電池供電的手持式產品都采用專用集成電路（ASIC）來滿足電池充電、電源通路控制、提供多種電源電壓以及提供真正輸出斷接和準確 USB 限流等保護功能的需求。采用這種方法的原因很明顯：可以用單個器件滿足所有電源管理需求。不過這種方法也有一些缺點。首先，ASIC 采用專門的芯片制造工藝，在實現(xiàn)上述各種功能時難以最大限度地發(fā)揮其性能潛力。其次，ASIC 從訂貨到交貨需要較長時間，因為 ASIC 的定義和開發(fā)需要較長時間，這個問題在需要短的動態(tài)設計周期的今天變得越來越突出了。一個電源管理 ASIC 從概念到交貨需要超過 1 年半的時間，這種情況很常見。在這么長時間里，特定產品的設計需求可能已經改變了 3 次或更多。

　　用專用標準產品優(yōu)化電源管理

　　大多數(shù)由電池供電的手持式產品通常都可以用交流適配器、通用串行總線（USB）電纜或鋰離子/聚合物電池供電，不過對這些電源之間的電源通路控制進行管理是一個重大的技術挑戰(zhàn)。直到最近，設計師們一直在用大量 MOSFET、運算放大器以及此類組件單獨實現(xiàn)這一控制功能，但是他們一直面對著熱插拔、大浪涌電流等大量問題，這些問題可能導致嚴重的系統(tǒng)問題。

　　大多數(shù)由電池供電的手持式產品都有相同或類似的功能，專用標準產品（ASSP）可以用來實現(xiàn)這些功能，而且沒有任何常見的性能損失，不像用單一芯片制造工藝制造的芯片那樣常常會有性能損失。凌力爾特公司最近推出了下一代專用標準產品 LTC3555，可以讓手持式應用的性能和功能跨上一個新的臺階。

　　LTC3555 采用 4mm x 5mm QFN 封裝，無縫地管理交流適配器、USB 電纜和鋰離子電池之間的電源通路，同時符合 USB 電源標準。似乎這還不夠，LTC3555 還具有全功能鋰離子/聚合物電池充電器和 3 個高效率同步降壓型轉換器，可以提供高達 1.2A 的充電電流，并產生大多數(shù) USB 外部設備所需的低壓軌。此外，LTC3555 還具有始終接通的 25mA 低壓差線性穩(wěn)壓器，可為實時時鐘（RTC）和低功率邏輯電路供電。整個器件可以通過簡單的 I2C 接口或簡單的 I/O 來控制。

　　圖 1 所示的 LTC3555 應用原理圖說明了該器件如何實現(xiàn)多種功能。DC/DC 轉換是相對簡單的降壓型轉換器功能。LTC3555 3 個片上降壓型轉換器都以電流模式控制方式工作，無論是以 I2C、引腳可選的突發(fā)模式（Burst Mode）還是自動突發(fā)模式工作，都可實現(xiàn)高達 95% 的效率。這些 DC/DC 轉換器以固定的 2.25MHz 開關頻率工作，允許使用非常小的外部電容器和電感器。這些降壓型轉換器的連續(xù)輸出電流值分別為 1A、400mA 和 400mA，可編程輸出電壓范圍為 0.8V 至 3.6V。

　　圖 1：LTC3555 的簡化方框圖和原理圖

　　USB/WALL 4.5V TO 5.5V：USB/交流 4.5V 至 5.5V

　　CHARGE：充電

　　ENABLE CONTROLS：使能控制

　　USB COMPLIANT STEP-DOWN REGULATOR：符合 USB 規(guī)范的降壓型穩(wěn)壓器

　　CC/CV BATTERY CHARGER：CC/CV 電池充電器

　　ALWAYS ON LDO：始終接通 LDO

　　TRIPLE HIGH EFFICIENCY STEP-DOWN SWITCHHING REGULATORS：

　　3 個高效率降壓型開關穩(wěn)壓器

　　I2C PORT：I2C 端口

　　TO OTHER LOADS：至其它負載

　　OPTIONAL：可選

　　Li-Ion：鋰離子電池

　　RTC/LOW POWER LOGIC：RTC/低功率邏輯電路

　　MEMORY：存儲器

　　CORE：內核

　　uPROCESSOR：微處理器

　　LTC3555 提供電源的方法與現(xiàn)有電池和電源管理集成電路不同，現(xiàn)有集成電路是充電器饋送型系統(tǒng)。在這類系統(tǒng)中，外部電源不直接向負載供電。取而代之的是，其交流適配器或 USB 端口會用來給電池充電，然后向負載供電。如果電池已經深度放電甚或缺失，那么電源要經過一個延遲時間才能到達負載。這是因為電池在獲得所需的最小電量之前不能供電。采用 LTC3555 可以消除這個延遲時間，這樣一來，交流適配器或 USB 電源一連上，手持式產品就可以上電。另外，該芯片還會利用未被負載使用的任何可用功率給電池充電。

　　消除充電延遲以及電池充電和為負載供電同時進行這兩個優(yōu)點延長了應用的有效工作時間，并在連接到 USB 電纜時加速充電過程。這種電源管理方法的另一個優(yōu)點是，無論何時，只要提供交流或 USB 電源，就可提高效率。而且在提供交流或 USB 電源時，還去掉了一個不是必需要的電源轉換階段（即電池充電）。

　　高效率PowerPath開關控制器

　　與具有線性 PowerPathTM 控制器的前一代器件 LTC3455 不同，LTC3555 具有一個高效率開關模式 PowerPath 控制器。LTC3555 的 PowerPath 控制器專為 USB 應用而設計，納入了一個精確平均輸入電流降壓型開關穩(wěn)壓器，以最大限度地利用可用的 USB 功率。由于 LTC3555 節(jié)省功率，因此它允許 VOUT 端的負載電流超過 USB 端口吸取的電流，而且不會違反 USB 負載規(guī)范。PowerPath 開關穩(wěn)壓器與電池充電器通信，以確保輸入電流從不違反 USB 規(guī)范。另外，BAT 與 VOUT 之間的理想二極管保證總是有充足的功率提供給 VOUT，即使 VBUS 端功率不足或沒有電源也一樣。

　　圖 2：LTC3555 PowerPath 方框圖

　　TO USB OR WALL ADAPTER：至 USB 或交流適配器

　　PWM AND GATE DRIVE：PWM 和柵極驅動

　　AVERAGE INPUT CURRENT LIMIT CONTROLLER：平均輸入電流限流控制器

　　AVERAGE OUTPUT VOLTAGE LIMIT CONTROLLER：平均輸出電壓限壓控制器

　　C*TANT CURRENT C*TANT VOLTAGE BATTERY CHARGER：恒定電流恒定電壓電池充電器

　　IDEAL DIODE：理想二極管

　　TO SYSTEM LOAD：到系統(tǒng)負載

　　OPTIonAL EXTERNAL IDEAL DIODE PMOS：可選外部理想二極管 PMOS

　　SINGLE CELL Li-Ion：單節(jié)鋰離子電池

　　無論何時，只要 VBUS 可用，且 PowerPath 開關穩(wěn)壓器處于工作狀態(tài)，功率就可以通過 SW從 VBUS 傳遞到 VOUT（參見圖 2）。VOUT 同時驅動外部負載（圖 1 中的開關穩(wěn)壓器 1、2 和 3）和電池充電器。如果組合負載沒有超過 PowerPath 開關穩(wěn)壓器的編程輸入限流值，那么 VOUT 將保持比電池電壓高 0.3V 的電壓。通過保持電池充電器電壓較低，效率得到了優(yōu)化，因為線性電池充電器損耗的功率最大限度地減小了，因此，最大限度地提高了提供給負載的功率。

　　如果 VOUT 端的組合負載足夠大，使得開關電源達到了通過編程設置的輸入限流值，那么電池充電器會以必要的幅度降低充電電流，以滿足外部負載的需求。即使電池電流的設置值超過了允許的 USB 電流，也不會違反 USB 規(guī)范，因為開關穩(wěn)壓器會始終限制平均輸入電流，以確保不違反 USB 規(guī)范。此外，VOUT 端的負載電流將始終優(yōu)先提供，只有超額提供的功率才用來給電池充電。

　　如果 BAT 端的電壓低于 3.3V，或者電池不存在，而且負載需求未使開關穩(wěn)壓器違反 USB 規(guī)范，那么 VOUT 將穩(wěn)定在 3.6V。如果負載所需功率超過了可用功率，那么 VOUT 將下降為 3.6V 至電池電壓之間的某個電壓值。如果負載所需功率超過了 USB 提供的功率時，電池不存在，那么 VOUT 將直接降至地電平。

　　LTC3555 內部有一個理想二極管（參見圖 2 右側）以及一個用于可選外部理想二極管的控制器。理想二極管控制器始終接通，而且無論何時，只要 VOUT 降至低于 BAT，該控制器就會迅速響應。如果負載電流提高到超出了開關穩(wěn)壓器所允許的程度，那么將通過該理想二極管從電池獲取額外的功率。此外，如果去掉 VBUS 端的電源（USB 或交流適配器電源），那么所有應用的電源都將通過該理想二極管由電池提供。在 VOUT 端，從輸入電源向電池電源的過渡足夠快，以允許用僅為 3uF 的電容器保持 VOUT 不下降。無論何時，只要 VOUT 端的電壓比 BAT 端電壓低大約 15mV（VFWD），就可以保持 VOUT 不下降，因為該理想二極管由一個精確放大器組成，可形成大的片上 P 溝道 MOSFET 晶體管。內部理想二極管的電阻大約為 180mΩ，而且可通過可選電阻降至低于 50mΩ。

　　結論

　　很明顯，就特定配置而言，要確保電池壽命得到優(yōu)化，由電池供電的手持式產品設計師有多種選擇。性能優(yōu)化的多功能 ASSP 可以提供必需的電壓和功率，以實現(xiàn)最佳系統(tǒng)性能，同時確保在正常工作時最大限度地減小電池消耗的功率。