背景

　　隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，USB更新的速度非?？欤琔SB 1.1到USB2.0再到目前的USB OTG（On-The-Go），USB在不斷自我完善，并走向成熟。USB具有高速度、低成本、低功耗、即插即用和使用維護(hù)方便等優(yōu)點，不僅成為了PC主板上的標(biāo)準(zhǔn)接口，而且成為了所有PC外部設(shè)備如鍵盤、鼠標(biāo)、顯示器、打印機、數(shù)碼相機等與PC相連的標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議之一，迅速占領(lǐng)了計算機中、低速外部設(shè)備的市場。

　　USB（Universal Serial Bus）即"通用串行總線"是一種應(yīng)用在計算機領(lǐng)域的新型接口技術(shù)。USB的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中居于地位的是Host（也稱為主機）。任何USB的數(shù)據(jù)傳輸都必須由主機來發(fā)起和控制，所有的USB外設(shè)都只能和主機建立連接，任何兩個外設(shè)之間或是兩個主機之間無法直接通信。而目前，大量的扮演主機角色的是個人電腦PC.

　　隨著USB應(yīng)用領(lǐng)域的逐漸擴大，對于USB的期望也越來越高。我們希望USB能應(yīng)用在各種計算機領(lǐng)域中，希望能通過PDA等移動設(shè)備直接和USB外設(shè)通信，使得USB能應(yīng)用在沒有PC的領(lǐng)域中。凌力爾特公司提供的 LTC3555 是一種電源管理集成電路 （PMIC），片上有基于開關(guān)模式的電源通路管理器、鋰離子電池充電器、3 個降壓型穩(wěn)壓器、以及 LDO.該器件具有很多高性能功能，有益于終產(chǎn)品，其微型扁平 QFN 封裝以及極少的外部組件可為手持式電子產(chǎn)品組成簡單、緊湊和經(jīng)濟的解決方案。

　　主要的設(shè)計難題

　　在很多情況下，能夠用 USB 端口給電池充電為用戶提供了更大的方便。但是，USB 規(guī)范對 USB 電流有一定限制。一個基于 USB 的電池充電器必須盡可能高效率地從 USB 端口抽取盡可能多的功率，以滿足今天的電源密集型應(yīng)用在空間和熱量方面的嚴(yán)格限制。

　　在產(chǎn)品內(nèi)管理電源通路是另一個問題。例如，今天很多由電池供電的便攜式電子產(chǎn)品可以用交流適配器、汽車適配器、USB 端口或鋰離子/聚合物電池供電。不過，自主管理這些電源、負(fù)載和電池之間的電源通路帶來了巨大的技術(shù)挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)上，設(shè)計師們一直嘗試用少量 MOSFET、運算放大器和其它分立組件實現(xiàn)這一功能，但是一直面臨著熱插拔、大浪涌電流等巨大的問題，這些問題可能引起嚴(yán)重的系統(tǒng)可靠性問題。直到近，即使分立的集成電路解決方案也需要幾個芯片來實現(xiàn)一個實用的解決方案。

　　便攜式消費類電子產(chǎn)品常常采用鋰離子電池和鋰離子聚合物電池，因為這類電池的能量密度相對較高 ─ 與使用其它可用化學(xué)材料制成的電池相比，在給定的尺寸和重量限制條件下，它們的容量更大。隨著便攜式手持產(chǎn)品變得越來越復(fù)雜，它們消耗的功率也更多，因此對較高容量電池的需求也越來越大了，對更先進(jìn)的電池充電器也產(chǎn)生了相應(yīng)的需求。容量較大的電池需要較高的充電電流或者更多的時間才能充電至滿電量。這種對高效率充電的需求，加之電池充電器集成電路必須實現(xiàn)高水平的功能集成、以及節(jié)省電路板空間和提高產(chǎn)品可靠性的需求，都給電池供電型電子產(chǎn)品設(shè)計師帶來了壓力。

　　總之，系統(tǒng)設(shè)計師面臨的主要挑戰(zhàn)如下：

　　·    限度地提高從 USB 端口 （可提供 2.5W） 獲取的電流；

　　·    管理多個輸入電壓源、電池和負(fù)載之間的電源通路；

　　·    限度地減少熱量；

　　·   限度地提高充電效率；

　　·    限度地減小解決方案占板面積和高度。

　　"富有意義地集成"的電源管理集成電路 （如凌力爾特公司提供的電源管理集成電路） 就可簡單輕松地解決這些問題。

　　一個簡單的解決方案：電源通路控制

　　電源通路控制能夠自主和無縫地管理各種不同輸入源之間的電源通路，一個具有電源通路控制功能的器件既為該器件負(fù)載供電，又用電源為單節(jié)鋰離子/聚合物電池充電。為了確保一個滿充電電池在連接 USB 總線時保持滿電量，集成電路通過 USB 總線直接向負(fù)載輸送功率，而不是從電池抽取功率。一旦電源被去掉，電流就通過一個內(nèi)部低損耗理想二極管從電池流向負(fù)載，從而限度地降低了壓降和功耗。參見圖 1 以獲得詳細(xì)信息，該圖是一個簡化的開關(guān)電源通路方框圖。理想二極管的正向壓降遠(yuǎn)低于普通二極管或肖特基二極管的正向壓降，因此限度地提高了能量傳送效率，而且反向漏電流也較小。微小的正向壓降減少了功耗和自熱，延長了電池壽命。

　　開關(guān)電源通路系統(tǒng)

　　代 USB 充電系統(tǒng)應(yīng)用直接在 USB 端口和電池之間設(shè)置限流的電池充電器，電池直接給系統(tǒng)供電。第二代線性 USB 充電系統(tǒng)在 USB 端口和電池之間產(chǎn)生一個中間電壓。新的第三代 USB 充電系統(tǒng)具有基于開關(guān)模式的拓?fù)?。此類電源通路器件從一個符合 USB 規(guī)格的降壓型開關(guān)穩(wěn)壓器產(chǎn)生一個中間總線電壓，該電壓被調(diào)節(jié)至一個高于電池電壓的固定電壓，參見圖 1.這種形式的自適應(yīng)輸出控制被凌力爾特公司稱為 Bat-TrackTM .不過，通過以這種方式跟蹤電池電壓，限度地減小了線性電池充電器中的功耗，提高了效率，并限度地提高了負(fù)載可用功率。另外，平均開關(guān)輸入電流限制限度地提高了利用 USB 電源提供全部 2.5W 功率的能力?？蛇x外部 PFET 降低理想二極管的阻抗，以實現(xiàn)較低的熱量損耗。這種架構(gòu)對具有大電池 （>1.5Ahr） 的系統(tǒng)而言是"必須"的。

　　圖 1  簡化的開關(guān)電源通路電路

　　LTC3555:基于開關(guān)電源通路管理器的電源管理集成電路

　　LTC3555 電源管理集成電路將 USB 開關(guān)電源通路管理器和鋰離子電池充電器與 3 個同步降壓型穩(wěn)壓器和 LDO 結(jié)合在一起，采用小型 28 引腳 （4mm x 5mm） QFN 封裝，可提供完整的電源解決方案 （參見圖 2）。

　　圖 2  LTC3555 簡化方框圖

　　LTC3555 系列是高集成度USB 兼容型電源管理和電池充電器 IC,以用于鋰離子 / 鋰聚合物電池應(yīng)用。它們包括一個具自動負(fù)載優(yōu)先級處理功能的高效率電流限制開關(guān) PowerPath 管理器、一個電池充電器、一個理想二極管和三個通用型同步降壓開關(guān)穩(wěn)壓器。

　　LTC3555 系列將輸入電流限制為 100mA 或 500mA （針對 USB  應(yīng)用） 或者 1A （針對適配器供電型應(yīng)用）。與線性充電器不同，LTC3555 系列的開關(guān)架構(gòu)能夠把從 USB 端口所獲得的幾乎全部功率都輸送至負(fù)載，且產(chǎn)生的功率損失和熱量極少，從而放寬了狹小空間里的熱約束條件。

　　恒定電流、恒定電壓鋰離子/聚合物電池充電器利用電池跟蹤功能，通過產(chǎn)生自動跟蹤電池電壓的輸入電壓，限度地提高電池充電器的效率。獨立自主工作無需外部微處理器實現(xiàn)充電終止。由于節(jié)省了功率，因此 LTC3555 允許 VOUT 上的負(fù)載電流超過 USB 端口吸取的電流，而不會超出 USB 負(fù)載規(guī)格；因此可從 USB 端口獲得 700mA 充電電流，實現(xiàn)了快速充電 （參見圖 3）。I2C 串行接口使得系統(tǒng)設(shè)計師能夠徹底控制充電器和降壓型穩(wěn)壓器，以實現(xiàn)在廣泛的應(yīng)用中改變工作模式這種適應(yīng)性。LTC3555 的 3 個用戶可配置降壓型 DC/DC 轉(zhuǎn)換器能夠向低至 0.8V 輸出電壓提供 0.4A、0.4A 和 1A 輸出電流，在輸出電壓高于 1.8V 時，以 100% 占空比工作并具有高達(dá) 92% 的效率。突發(fā)模式 （Burst Mode） 工作以每個穩(wěn)壓器僅為 35uA 的靜態(tài)電流 （停機時 < 1uA） 優(yōu)化了輕負(fù)載時的效率，2.25MHz 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。另外，穩(wěn)壓器用陶瓷輸出電容器可穩(wěn)定，實現(xiàn)了非常低的輸出電壓紋波。這個器件還提供始終接通 3.3V LDO 穩(wěn)壓器輸出，能夠為如實時時鐘或按鈕監(jiān)視器等系統(tǒng)提供 25mA 電流。

　　圖 3  從US 獲得的LTC3555高效開關(guān)模式電源轉(zhuǎn)換充電電流允許從獨立USB端口獲得高于700mA的充電電流

　　結(jié)語

　　電池供電型產(chǎn)品的設(shè)計師面臨著產(chǎn)品小尺寸、輸入電源便利性和靈活性、高效率充電、低熱損耗和 USB 兼容性這些需求所帶來的挑戰(zhàn)。同時，設(shè)計集成度日益提高以節(jié)省電路板空間、降低制造成本并提高產(chǎn)品可靠性。凌力爾特公司不斷成長以及基于電源通路管理器的電源管理集成電路系列使得產(chǎn)品設(shè)計師的工作輕松了許多。這些集成電路能夠從 USB 端口抽取更多功率，無縫管理不同輸入電源、電池和負(fù)載之間的電源流動，減少了熱量，并通過 Bat-Track 自適應(yīng)輸出控制提高充電效率，提供低輸出電壓系統(tǒng)電源軌，而且可利用較少的外部組件簡化設(shè)計。這些集成電路還為由電池供電型便攜式電子產(chǎn)品的終用戶帶來了其它益處，如 USB 充電便利性和便攜性、電池沒電或缺失時提供系統(tǒng)電源、以及快速充電。

參考文獻(xiàn):

[1]. QFN  datasheet http://www.hbjingang.com/datasheet/QFN+_2043367.html.