採用電源管理IC實現高階可攜式產品設計

目前，一些由電池供電的產品─如個人多媒體播放器、智慧電話、可攜式遊戲機和GPS導航設備等，均配備了USB介面；同時，這些產品仍不斷透過整合新功能，使其變得更方便和實用，以躋身高階消費市場。功能的增加需要採用像鋰電子這類更高容量的電池。用戶期望體積小、功能多、可攜且使用靈活，還必須能快速且安全地充電，而這些都為產品設計工程師提出了一系列的嚴苛挑戰。

關鍵設計挑戰

站在終端用戶的角度，在線性和開關模式電池充電IC之間存在著一些設計折衷。如同LDO，線性電池充電器所佔體積小，外接零組件也較少(如無需使用電感)，但它的效率低且可用電能少，且會產生較多熱量。不過，在成本和空間比效率更重要的一些領域，線性充電IC就比較合適。相反地，在其它應用中，開關模式則更為合適。由此可見，對更高的充電效率、電池充電IC中的更高整合度、更高的空間利用率、以及增加產品的靈活度等各種需求，都為電池供電設備的設計帶來巨大壓力。系統設計師研發設計時面臨的挑戰主要包括：

* 自動管理多工電源或負載

* 充電時將來自USB的功率和效率提升至最高

* 發熱最少

* 快速充電時充電電流高

* 在汽車應用中能以高電壓工作

* 減少電路板和封裝尺寸

為了應對上述的設計挑戰，必須採用全面的解決方案。目前絕大多數電池供電設備都採用以下幾種供電方式：牆體配接器，汽車配接器，USB埠或鋰電池。然而，在各類輸入電源間的電源通道控制的自動管理方面卻存在著巨大的技術挑戰。傳統上，設計師試圖利用一些現有元件，如MOSFET、比較器及一些分離式零組件來實現這一功能，但在解決熱插拔和大突波電流方面仍面臨可能引起系統的可靠性問題的巨大挑戰。不久前，分離式IC解決方案仍需使用數顆晶片才能實現。而如今，僅需一個整合式電源管理器，就能簡單地解決這些問題。

無論電池的充電狀態為何，電源通道控制都允許終端產品即插即用；換個角度來說，即所謂的‘隨開即用’(instant-on)模式。一顆具有電源通道控制能力的IC可為設備提供功率，並透過USB介面或一個牆體電源配接器來為單一單元鋰電池充電。為了在充電電源線尚未斷開時確保充滿電的電池保持不用，IC直接透過USB線為負載供電，而不從電池吸取功率。一旦電源去除，來自電池的電流便透過內部的低損耗理想二極體傳送到負載，將電壓降和功耗降到最小。

理想二極體的正向電壓降遠小於傳統蕭特基二極體的正向電壓降，且其反向電流泄漏也比較小。小的正向電壓降將減少功耗和自發熱，延長電池壽命。

最大化USB充電功率和效率

使用線性充電器時，增加充電電流將增加額外的功耗，同時增加發熱。當用USB充電時，充電IC必須將匯流排電流限制在100mA(500mW)或500mA(2.5W)，具體取決於與主控制器的模式。在使用線性電源通道系統充電時，只要不超過輸入電流的限制，系統負載可透過USB埠利用接近全部的2.5W功率。這種情況下，V_OUT僅略低於輸出電壓(例如5V)。然而，由於電池電壓可能比5V輸入電壓低得多，大量的功率(VIN與V_OUT電壓差乘以充電電流)將會透過線性電池充電器中的調整元件被消耗掉。而開關電源通道方案則利用了Bat-Track功能。Bat-Track是一種自適應的輸出控制，其中的輸入電路使調節器輸出電壓自動地追蹤電池電壓。因此，透過保持電池充電器上的電壓盡可能地低，同時最佳地利用可用的輸入功率，能大幅改善電池充電器元件的效率。

以凌力爾特的LTC4088為例，該元件將這些功能整合在高密度3×4mm DFN封裝IC中，僅需使用少數外部元件(圖1)。

圖1：LTC4088的典型應用電路。

它是一款適用於可攜式USB供電設備的獨立型開關電源管理器、理想二極體控制器和1.5A(來自牆體配接器)獨立的電池充電器。其開關前端拓樸功能PowerPath控制和Bat-Track減緩了受空間限制之可攜式電子設備中的熱管理問題，特別是對一些需要大容量電池的產品。

LTC4088的開關模式前端拓樸結構還允許V_OUT負載電流在不超過USB負載指標時超過從USB埠吸取的電流。可實現高達700mA的電流，從而實現USB的快速充電(圖2)。

圖2：LTC4088的充電電流與電池電壓之間的關係。

如果去除電源，該IC能確保系統的應用負載可以從電池獲取功率，而電流則流經一個內部的低損耗180mΩ理想二極體，將電壓降和功耗降到最小。

高輸入電壓

透過接受高輸入電壓源，如Firewire /IEEE1394，12V~24V牆體配接器，未經調節的高壓(>5.5V)牆體配接器，或者是汽車內的配接器輸出，可在家庭或工作場所以外的地方提供快速充電。利用這些電源，配接器電壓和手持設備中電池電壓之間的差可能非常大。於是，根據所需的充電時間和充電電流，線性充電器將無法處理功耗問題。這就需要具有開關技術的IC，在改善效率和減緩熱管理問題的同時維持快速充電。必須指出的是，線性充電器也能夠實現快速充電，可能更適合USB充電器、鋰電池或輸入電壓小於5.5V的牆體配接器。不過，高電壓IC不易受電壓輸入瞬變的影響，進一步增加了IC和系統的免疫力和可靠性。

凌力爾特的另一款LTC4089元件包含了所有這些功能(圖3)。

圖3：LTC4089的典型應用電路。

本文小結

凌力爾特的電源管理器/電池充電器IC系列能簡化產品設計師的工作，其特色是具備寬廣的高性能選擇範圍，包括帶充電器的高壓線性電源管理，到具備充電器的快速充電高效率開關模式電源管理器等均包含在內。

作者：Steve Knoth

產品行銷工程師

凌力爾特公司