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功率技術/新能源  

新一代ASSP最佳化手持設備中的電源管理

上網時間: 2007年09月17日     打印版  Bookmark and Share  字型大小:  

關鍵字:充電管理  可攜設備  電源通道控制 

2006年,消費者購買了十億多部手機,2.2億台筆記型電腦、1.4億台MP3、9,000萬部數位相機(DSC)以及1,000萬套個人導航設備(PND)。從內部系統架構來看,所有的這些設備都具有一定的共通性。首先,它們均由電池供電,通常都是利用某種鋰離子電池(Li-Ion)作為主電源,並利用另一個輸入電源作為備份或充電。其次,它們都內建了一定的儲存裝置,通常包含某種ROM、RAM或NAND快閃記憶體,在大部份情況下,還會有一個硬碟(HDD)或SDIO卡。據IDC研究,2006年全球共產生了1,610億GB的數位資訊,相當於必須用20億台iPod來儲存這些資訊。

但是,上面沒有提及的另一類產品,就是將上述產品功能中的兩種甚至三種組合到一起的產品,如可攜式媒體播放器(PMP)或數位媒體廣播(DMB)產品。這些產品也利用鋰離子電池作為主電源,擁有極大的記憶體容量。它們正成為消費電子領域中的重要播放設備。

PMP或DMB的一項關鍵優勢,是他們都能播放MP3和MP4格式。因此,利用一台設備就可以欣賞來自DVD-CD或從網站上下載的音樂和電影。設備的儲存媒質可以儲存超過150小時的視訊或1,200小時的音樂。但是,與其他任何依賴電池供電的手持設備相類似,這些PMP製造商面臨前所未有的壓力,他們必須將諸多功能整合在體積和外形受限的結構中,同時還要提供更長的工作時間。

由於多數PMP都具備視訊播放和MP3播放功能,內部電路要求在多個不同功率電平上的低電壓輸出軌。這是因為多數數位大規模積體電路的工作電壓為1.5V或更低,而記憶體和I/O所需電壓為2.5~3.3V。於是,採用多負載點(POL)DC/DC轉換器對來自鋰離子電池的電壓進行直接轉換是不切實際的,系統設計師必須採用更多的整合方案。

絕大多數電池供電的手持設備都利用一顆ASIC來處理電池充電、功率通道控制、提供多工電源電壓及保護功能(如實際的輸出開路和精密的USB電流限制)等。採用這種方案的目的很明確,就是可用單一元件來滿足所有的電源管理需求。不過,這種方案也存在一些缺點。首先,ASIC採用特定的晶圓製程,要實現每個功能的最佳性能非常困難。其次,對短動態設計週期而言,更重要的是ASIC的定義和研發所導致的交貨週期過長。一般來說,一顆電源管理ASIC從概念到交貨所需時間在一年半以上。而在此週期內,一種特定的產品設計可能已經更改了三次或更多。

用於電源管理的定製元件

多數的電池供電的手持設備均可用一個AC配接器,一個通用串列匯流排(USB)或一個鋰/聚合物電池來供電,但是,如何實現這些電源間的電源通道控制是一個很大的技術挑戰。直到最近,設計師仍在試圖利用分離式方法,即用一組MOSFET以及運算放大器等來實現這一功能,但他們面臨著很大的問題,如熱插拔和很大的瞬間電流等,這些都會引起很大的系統問題。

在各類電池供電的手持設備中的功能和性能方面存在一定的共性,這些產品中可以使用ASSP,且避免了可能出現在單晶圓製程中、與IC製造相關的性能折衷。Linear最近開發的LTC3555即為此類產品的一種。

LTC3555可無縫地管理交流配接器,USB和鋰離子電池之間的功率,符合USB標準,採用4×5mm QFN封裝。它還具有一個全功能的鋰離子/聚合物電池充電器,能提供1.2A的充電電流,以及三個用來產生多數USB週邊所需的低電壓軌同步降壓轉換器。此外,LTC3555還提供?定的25mA低壓差線性調節器,為即時時脈(RTC)和低功率邏輯電路供電。整個元件可透過一個簡單的I2C介面或簡單的I/O埠來控制。

LTC3555的應用電路圖如圖1所示,圖中顯示了多功能實現原理。DC/DC轉換是一種相對簡單的降壓轉換。LTC3555的三個內建降壓轉換器都工作在電流模式控制,效率達95%,具有I2C、片選觸發突發模式或自動的觸發突發模式。DC/DC轉換器的開關頻率為2.25MHz,允許使用很小的外部電容和電感。這些降壓轉換器的連續輸出電流分別為1A,400mA和400mA,輸出電壓在0.8~3.6V之間可編程。

圖1:LTC3555的簡化結構圖和原理圖。
圖1:LTC3555的簡化結構圖和原理圖。

LTC3555提供功率的方法與現有的電池和電源管理IC不同,實際上是電荷饋送(charger-fed)系統。在一般的電源管理IC中,外部電源並不直接為負載供電。而是由AC配接器或USB埠為電池充電,然後再為負載供電。在電池被過度放電或根本就沒有任何電量的情況下,為負載供電會有一個延遲。這是因為電能無法直接從電池取走,直到電池獲得了所需的最少量電荷後方可。使用LTC3555後,就可以消除該延遲,只要牆體配接器或插上USB,就可以立即為手持設備供電。此外,晶片可以取走負載未用的功率,並用它為電池充電。

省去了充電延遲,以及可同時充電和為負載供電這兩項優點,可延長有效工作時間,並在連接到USB時加速充電。這種電源管理技術的另一項優點是提高了使用效率,只要有AC或USB電源即可。這種情況下,可以省去不需要的轉換級(用於電池充電)。

高效率開關電源通道控制器

與具備一個線性電源通道控制器的上一代產品LTC3455不同,LTC3555具備一個高效開關模式電源通道控制器。這是專為USB應用所設計,LTC3555的電源通道控制器整合了一個精密平均輸入遞降開關調節器,可充份運用可用的USB功率。由於電能被保存,LTC3555允許VOUT上的負載電流超過USB埠吸取的電流,但不超過USB負載規格的要求。電源通道開關調節器與電池充電器相互通訊以確保輸入電流不會超過USB的指標限制。更進一步,從BAT到VOUT之間的理想二極體保證了功率可以始終送到VOUT,即使在沒有足夠的功率,或在VBUS上根本就沒有電源的情況下也是如此。

當VBUS可用且電源通道開關調節器啟動時,就可透過SW將電源從VBUS送到VOUT(見圖2)。VOUT驅動外部負載(圖1中的開關調節器1、2和3)和電池充電器組成的混合負載。如果混合負載沒有超過電源通道開關調節器的編程輸入電流限制,VOUT將追蹤0.3V(電池電壓以上)。透過保持電池充電器上的電壓為低,效率被最佳化,因為損失到線性電池充電器上的功率被減到了最小,其結果是送到負載上的可用功率被最佳化。

圖2:LTC3555電源通道結構圖。
圖2:LTC3555電源通道結構圖。

如果VOUT的混合負載足夠大,能引起開關電源達到編程輸入電流的限制值,電池充電器將會降低充電電流所需量,以滿足外部負載需求值。即使電池電流被設置為超過允許的USB電流,也不會超過USB規格,因為開關調節器會始終限制平均輸入電流。進一步說,VOUT上的負載電流始終是優先的,只有剩餘的功率才被用來對電池充電。

如果電池電壓低於3.3V,或者電池不存在,而且負載需求不會引起開關調節器超過USB規格的要求,VOUT將會降到一個位於3.6V與電池電壓之間的某個值上。如果電池不存在,而負載超過了可用USB功率,VOUT將會跌落到地電平。

LTC3555內含一個理想二極體(見圖2),還有一個用於可選外部理想二極體的控制器。該理想二極體控制器始終處於導通狀態,在VOUT低於電池電壓時將快速響應。如果負載電流增加到超過了開關調節器所允許的功率,將會透過理想二極體從電池吸取功率。此外,如果到VBUS(USB或牆體配接器)的功率被拔掉,則所有的應用功率將都經過理想二極體由電池提供。從輸入功率到電壓為VOUT的電池功率轉換非常快,只允許使用一個3uF的電容來避免VOUT下降。實現這一點是可能的,因為該理想二極體中包括一個精密放大器,當VOUT上的電壓比電池電壓低大約15mV(VFWD)時,放大器啟動一個大功率的內建P通道MOSFET電晶體。內部理想二極體的電阻大約為180mΩ,利用一顆外部電阻,該值可以減少到50mΩ。

顯然,對電池供電的手持設備設計師來說,有許多選項可確保電池壽命對於其特定應用是最佳化的。一個具備良好性能、多功能的ASSP能夠提供實現最佳系統功能所需的電壓或功率電平,同時確保在正常工作時將電池的泄漏功率減到最小。

作者:Tony Armstrong

產品行銷經理

tarmstrong@linear.com

電源產品部

凌力爾特公司




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