引言

    隨著電子技術(shù)的不斷發(fā)展，電池供電的便攜式無線設(shè)備越來越受到重視。但是一個由電池供電的便攜式無線設(shè)備存在著很多系統(tǒng)設(shè)計(jì)師必須克服的關(guān)鍵問題。重要的問題之一是如何讓熱量從設(shè)備中散出，因?yàn)檫@類設(shè)備通常沒有用于冷卻目的的風(fēng)扇。結(jié)果，可能用于這類設(shè)備中的電源轉(zhuǎn)換和管理IC必須是高熱效率的，因?yàn)殡娫崔D(zhuǎn)換效率不佳的主要副產(chǎn)品就是熱量。這種熱量是在能量輸送過程中由穩(wěn)壓器內(nèi)損失的功率所產(chǎn)生。由于內(nèi)部冷卻目的的空氣流動有限，這種熱量轉(zhuǎn)化成產(chǎn)品內(nèi)部工作（環(huán)境）溫度的上升，這可能對長期可靠性產(chǎn)生有害影響。

　　一個DC/DC轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換效率可以用輸出功率除以輸入功率來計(jì)算，或者換一種說法，是負(fù)載功率除以輸入功率。系統(tǒng)設(shè)計(jì)師必須根據(jù)電源轉(zhuǎn)換過程產(chǎn)生的熱量仔細(xì)考慮應(yīng)該使用的穩(wěn)壓器類型。因此，很多電池供電型便攜式無線設(shè)備制造商的常見做法是，采用開關(guān)穩(wěn)壓器而不是更簡單的線性低壓差穩(wěn)壓器，因?yàn)殚_關(guān)穩(wěn)壓器的工作效率更高。

　　電源架構(gòu)趨勢

　　圖1是一個典型的電池供電型便攜式無線設(shè)備的電源轉(zhuǎn)換和管理架構(gòu)。不是所有產(chǎn)品都含有一個集成的電池充電器，因?yàn)橛行┲圃焐谈矚g將電池充電器放在一個附屬充電座中。這些充電座允許同時進(jìn)行該設(shè)備與主計(jì)算機(jī)的通信，并提供必需給電池再充電的充電電流。另外，有些制造商不想增加成本和設(shè)計(jì)時間以將電池充電器設(shè)計(jì)和制造在產(chǎn)品中，而是簡單地選擇用單節(jié)或多節(jié)標(biāo)準(zhǔn)圓柱形AA或AAA型電池為產(chǎn)品供電，而不管電池的化學(xué)組成類型。

　　圖1 一個典型的電池供電型便攜式無線設(shè)備的電源架構(gòu)

　　在幾乎任何類型的便攜式無線設(shè)備中都需要幾個不同的電壓軌，這種情況很常見，除了某些類型的電池，這些設(shè)備可能還有多個輸入電源。這些電壓軌一般包括一個3.0V或3.3V的主系統(tǒng)總線、一個1.2V的微處理器或DSP內(nèi)核電壓、用于I/O的1.8V、用于射頻電源的 2.8V、用于USB OTG支持或?yàn)橐纛l電路供電的5V、以及一個為LED陣列供電以實(shí)現(xiàn)顯示器背光照明的LED驅(qū)動器。不過，一個常見的問題仍然存在，那就是如何地管理來自各種不同輸入電源的可用功率，以優(yōu)化終產(chǎn)品的功能，同時給電池充電（如果電池存在）。解決這個復(fù)雜問題所需要的是簡單和有效的電源通路控制電路。

　　電源通路控制是一個自動的負(fù)載優(yōu)先處理電路，在優(yōu)先向系統(tǒng)負(fù)載供電的同時，能自主和無縫地管理如USB端口、交流適配器和電池等多個輸入電源之間的電源通路。在傳統(tǒng)的電池饋送型充電系統(tǒng)中，用戶必須等到有足夠的電池充電量和電壓值，才能獲得系統(tǒng)功率。相反地，電源通路控制允許終產(chǎn)品在一插電就立即工作，而不管電池的充電狀態(tài)如何，這常常稱為“即時接通”工作。

　　電源通路控制電路可以用線性和開關(guān)拓?fù)鋵?shí)現(xiàn)。線性電源通路拓?fù)涞暮锰幨且子趯?shí)施和具成本效益。不過，開關(guān)模式電源通路拓?fù)淇商岣呦蛳到y(tǒng)負(fù)載和電池供電的效率。開關(guān)模式電源通路拓?fù)涫峭ㄟ^消除在線性電池充電器單元損失的功率做到這一點(diǎn)的，當(dāng)電池電壓低和/或輸入功率有（例如，靠一個受限的USB端口供電）尤其重要，從而使這種拓?fù)渚哂凶吭降臒崽匦?。第二個突出優(yōu)點(diǎn)是，當(dāng)電池電壓低時，它能夠從一個標(biāo)準(zhǔn)USB端口（約2.3W）抽取高達(dá)700mA的電池充電電流。這之所以成為可能，是因?yàn)殚_關(guān)拓?fù)溆懈哂?0% 的轉(zhuǎn)換效率，而線性拓?fù)涞臉?biāo)稱轉(zhuǎn)換效率僅為60%。幸運(yùn)的是，有很多模擬半導(dǎo)體供應(yīng)商同時提供獨(dú)立和高度集成的電源通路控制IC。

　　由AA或AAA電池供電的設(shè)備需要特別考慮

　　除了鋰離子電池，出于便利性、可用性和成本原因，多種便攜式無線設(shè)備仍然由兩節(jié)可再充電或不可再充電的AA或AAA型電池（采用鎳、堿性或新的圓柱形鋰化學(xué)材料）供電。不過，正如已經(jīng)提到的那樣，管理進(jìn)入手持式設(shè)備的電源通路是一個日益復(fù)雜的任務(wù)，因?yàn)楫a(chǎn)品中存在多種電源電壓，空間非常有限但需要效率。常見的情況是，這些因素促進(jìn)了為很多電池供電型設(shè)備而開發(fā)的高度集成電源管理IC（PMIC）。

　　不過，當(dāng)使用一個由兩節(jié)AA或AAA電池和一個5V AC適配器或一個5V USB端口供電的便攜式無線設(shè)備時，的障礙之一是為主電源軌提供一個固定3V或3.3V輸出，以及提供一個為微處理器或DSP內(nèi)核電壓供電的1.2V輸出。當(dāng)該設(shè)備由5V交流適配器或5V USB端口供電時，僅需要降壓型DC/DC轉(zhuǎn)換器。不過，當(dāng)該設(shè)備由電池供電時，常常需要一個降壓-升壓型DC/DC轉(zhuǎn)換器來為主電源軌提供3V或3.3V電壓，同時需要一個降壓型DC/DC轉(zhuǎn)換器來為大規(guī)模數(shù)字處理器內(nèi)核提供    1.2V電壓。這是因?yàn)椋瑑晒?jié)AA（鎳或堿性）電池的放電曲線是從3.2V直至    1.8V，不過，用“新”的圓柱形鋰AA和AAA電池，這個范圍已經(jīng)向上移動了約0.4V，因此需要一個降壓-升壓型穩(wěn)壓器以更高效率在整個電池放電范圍內(nèi)調(diào)節(jié)3.0V或3.3V。此外，常常需要第二個降壓通道來為標(biāo)稱值為1.8V的存儲器供電。

　　由電池供電的無線便攜式設(shè)備也需要綠色電源

　　過去一年中“綠色環(huán)?！备拍畲罅砍霈F(xiàn)在新聞中，2009年我們將會看到更多這方面的報道。結(jié)果，很多供應(yīng)商或電源管理和轉(zhuǎn)換IC在跨寬負(fù)載范圍提高電源轉(zhuǎn)換效率方面取得了很大進(jìn)步。

　　此外，人們普遍認(rèn)為，不管產(chǎn)品是靠插到墻上的電源插座還是靠電池供電工作，都需要節(jié)能。這是因?yàn)?，隨著一個國家人口的增加，對能量的需求也在增加，人們需要能量為家居的加熱/冷卻系統(tǒng)、照明和家用電器供電。不僅建造新的發(fā)電設(shè)施耗費(fèi)大量資金，而且電能產(chǎn)生后傳送到用戶處也需要大量的金錢。據(jù)觀察，將大多數(shù)家用電器目前的能耗降低15%～20%，比建設(shè)新的發(fā)電設(shè)施更具成本效益。

　　就由電池供電的便攜式無線產(chǎn)品而言，類似的概念也適用，不過，在使用多節(jié)AA或AAA型電池的情況下，對這些含有害化學(xué)材料的電池處置給我們的環(huán)境造成了負(fù)面影響。顯然，為延長這些電池在終產(chǎn)品中的使用壽命所能做的任何事情都將限度減小更換電池的頻度，因此可以減少需要回收的有害污染物。

　　與建造新的發(fā)電設(shè)施或有害化學(xué)材料回收設(shè)施有關(guān)的高成本導(dǎo)致的結(jié)果是，很多國家已經(jīng)采取了“綠色政策”，這些國家以此鼓勵制造商在終產(chǎn)品中采用節(jié)能技術(shù)。因此，就一個用在任何類型節(jié)能設(shè)備中的電源管理和轉(zhuǎn)換IC而言，任何內(nèi)部使用的DC/DC轉(zhuǎn)換器都必須有兩個主要的特性。首先，它們必須在寬負(fù)載電流范圍內(nèi)擁有非常高的轉(zhuǎn)換效率。其次，它們在備用和停機(jī)模式時必須有非常低的靜態(tài)電流。結(jié)果，很多由電池供電的便攜式產(chǎn)品正在納入具有這兩個關(guān)鍵特性的電源管理和轉(zhuǎn)換產(chǎn)品。

　　新的綠色電源轉(zhuǎn)換產(chǎn)品

　　凌力爾特公司 （Linear Technology Corporation） 推出用于電池供電和后備電池應(yīng)用的多功能、緊湊型電源管理解決方案系列中的 PMIC 成員 LTC3101 。該微功率器件集成了一個低損耗電源通路控制器、三個高效率同步開關(guān)穩(wěn)壓器 （一個降壓-升壓和兩個降壓）、一個電流限制為 200mA 的VMAX 輸出 （跟蹤較高電壓的輸入電源）、一個受保護(hù)的 100mA 熱插拔 （Hot Swap） 輸出、按鈕接通/關(guān)斷控制、一個可編程處理器復(fù)位發(fā)生器和一個始終保持接通的 LDO。此外，該器件的低損耗電源通路控制可無縫和自動地管理多個輸入電源之間的電源通路?！笆冀K保持運(yùn)行”的 VMAX 和 LDO 輸出負(fù)責(zé)為關(guān)鍵的功能或附加的外部穩(wěn)壓器供電。內(nèi)部排序功能和獨(dú)立的使能引腳提供了靈活的上電選項(xiàng)。LTC3101以 1,000 片為單位批量購買，每片價格為 3.95 美元。

　　性能概要：LTC3101

　　· 低損耗電源通路控制：可無縫和自動地從電池供電變換為 USB 或交流適配器電源

　　· 寬 VIN 范圍：1.8V 至 5.5V，與兩或 3 節(jié) AA/AAA 電池和單節(jié)鋰離子電池兼容

　　· 降壓-升壓型穩(wěn)壓器： VOUT 為 1.5V 至 5.25V，就 VIN ≥ 3.0V 而言，IOUT 高達(dá) 800mA

　　· 降壓型穩(wěn)壓器：VOUT 為 0.6V 至 VIN，IOUT = 2 x 350mA

　　· 高效率：降壓-升壓型穩(wěn)壓器高達(dá) 95%，雙路降壓型穩(wěn)壓器高達(dá) 93%

　　· 超低靜態(tài)電流：38uA （突發(fā)模式，所有穩(wěn)壓器都啟動工作）、15uA （待機(jī)模式）

　　· 始終保持接通的 LDO：在50mA 時為 1.8V

　　· 用于閃存卡的受保護(hù) 100mA 熱插拔輸出

　　· 電流限制為 200mA 的VMAX 輸出

　　· 按鈕接通/關(guān)斷控制

　　· 可編程微處理器復(fù)位發(fā)生器

　　· 可編程加電排序

　　· 緊湊型 （4mm x 4mm x 0.75mm） 24 引腳 QFN 封裝

　　圖2 LTC3101的效率曲線

　　圖3 LTC3101原理圖

　　LTC3101 的降壓-升壓型穩(wěn)壓器可為高于 3V 的輸入電壓連續(xù)提供高達(dá) 800mA，非常適用于在整個 1.8V 至 5.5V 的輸入電壓范圍內(nèi)有效地調(diào)節(jié)一個 3.0V 或 3.3V 輸出。LTC3101 的兩個降壓型穩(wěn)壓器具有 100% 占空比工作，每個都能提供 350mA 的輸出電流，以及低至 0.6V 的可調(diào)輸出電壓。LTC3101 的內(nèi)部低 RDS（ON） 開關(guān)實(shí)現(xiàn)了高達(dá) 95% 的降壓-升壓型穩(wěn)壓器效率和高達(dá) 93% 的降壓型穩(wěn)壓器效率，從而限度地延長了電池工作時間。此外，突發(fā)模式 （Burst Mode） 操作在輕負(fù)載條件下優(yōu)化了效率，總 IC 靜態(tài)電流僅為38uA （當(dāng)所有的穩(wěn)壓器均被啟用），而在待機(jī)模式中則僅為 15uA （當(dāng) LDO 和 VMAX 輸出處于運(yùn)行狀態(tài)時）。1.27MHz 的高開關(guān)頻率允許使用高度不到 1mm 的纖巧低成本電容器和電感器。此外，所有穩(wěn)壓器在采用陶瓷輸出電容器時都可穩(wěn)定，從而實(shí)現(xiàn)了非常低的輸出電壓紋波。限度地延長電池運(yùn)行時間（見圖 2）。

　　諸如手持式儀表和醫(yī)療診斷設(shè)備等便攜式無線儀表，由于需要執(zhí)行大量數(shù)據(jù)處理任務(wù)而由3或4節(jié)AA電池供電的情形并非罕見。同步降壓-升壓型轉(zhuǎn)換器LTC3534就是為此而設(shè)計(jì)的，該器件具有2.4～7V的擴(kuò)展輸入電壓范圍，可向固定穩(wěn)壓輸出提供高達(dá)500mA的輸出電流。它的輸入可以高于、等于或低于輸出。LTC3534采用的拓?fù)湓谒泄ぷ髂Ｊ綍r都提供連續(xù)輸送模式，從而使其非常適用于3或4節(jié)堿性電池應(yīng)用。

　　例如，考慮一個輸入電壓范圍為  3.6～6.4V以提供一個固定5V輸出的4節(jié)堿性（AA或AAA）電池應(yīng)用（見圖4）。在很多情況下，當(dāng)與更加傳統(tǒng)的SEPIC方法比較時，運(yùn)用LTC3534可以使電池運(yùn)行時間延長25%。LTC3534的1MHz恒定開關(guān)頻率在限度地減小外部組件尺寸的同時提供低輸出噪聲。纖巧外部組件結(jié)合3mm×5mm DFN（或SSOP-16）封裝提供了一個纖巧的解決方案占板面積，非常適用于很多手持式設(shè)備。

　　圖4 LTC3534 原理圖

　　LTC3534含有兩個N溝道以及兩個P溝道MOSFET（分別為215mΩ/275Ωm和260mΩ），提供高達(dá)94%的效率。突發(fā)模式工作僅需要25μA的靜態(tài)電流，而停機(jī)電流低于1μA，以進(jìn)一步延長電池運(yùn)行時間。如果應(yīng)用是噪聲敏感的，那么還可以配置PWM引腳以提供強(qiáng)制連續(xù)工作，從而降低噪聲和潛在的射頻干擾。其他特點(diǎn)包括軟啟動、電流限制、熱停機(jī)和輸出斷接。