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技術背景 當今便攜式電子設備的小型化和高集成度發展趨勢要求延長電池工作時間，降低功耗，并且限制其設備內部IC及其相關外圍元件占用印制電路板的尺寸。由于電池技術的進步延長了電池工作時間并且減小了最終產品的尺寸，對于加速發展這種趨勢一直起到促進作用。可再充電的棱柱形鋰離子電池/聚合物鋰電池已經將它們用作給中等到高端便攜式電子設備提供電源的先進化學電池，從而可提供最合適的外形尺寸、合用的電壓范圍、電能密度 (容量) 和電池壽命。因此，當人們一旦注意到鎳鎘 (NiCd)電池的有毒性時，人們正在尋找將新的鋰離子電池用于大電流應用的途徑 (例如電動工具)。而且新的鋰離子化學電池 (例如磷酸鋰電池) 正在興起，它與傳統的鋰電池/聚合物鋰電池相比，它提供較低的可用工作電壓范圍，較低的串聯電阻和較高的安全性。 最近新推出了一種一次性鋰電池 (例如Energizer “e2” 電池)，其尺寸與堿性電池一樣大。它們不但延長了電池工作時間，而且具有尺寸小巧、使用方便和價格便宜的特點，非常適合那些以前習慣使用堿性電池和鎳電池的便攜式設備的客戶 (例如數碼相機和手持GPS)。這些電池超出了可再充電的鋰離子電池、聚合物棱柱形電池、堿性AA或AAA電池以及可再充電的鎳金屬氫化物 (Ni/MH) 電池的范圍，從而擴大了便攜式電子設備工程師的選擇范圍。這種電池與其他的不可再充電的堿性電池或鎳電池比較，其延長電池壽命的優點要比其初期成本高的缺點更重要。相比之下，可再充電的NiMH電池具有相對低的電能密度，但它是一項成熟的技術，而且成本低、無毒性，所以一直用于許多便攜式電子設備之中。可再充電和不可再充電的堿性電池在低端電子設備中一直很流行，它具有很低的自放電和低成本特點以彌補其相當低的電池壽命。 設計挑戰 毋庸置疑，當今電池供電的便攜式電子產品設計師都在接受相當的設計挑戰。這些設計師為了適應系統復雜性、電能預算和散熱管理不斷提高的趨勢，勢必要求高性能電源管理結構。這樣的系統應該在電池工作時間、與多個電源的兼容性、高功率密度、小外形尺寸和高效散熱管理之間達到最佳均衡。必須做到精心地選擇電池，連接其他電源 (USB、墻上適配器等) 給系統供電，因為電池壽命和電池工作時間顯然是重要考慮。 與此同時，系統中的功能不斷增加迫使系統功耗的提高，當設備工作時自然要降低電池的工作時間。對于可再充電的電池，隨后的充電和再充電周期會使電池的壽命受到限制，尤其是在再充電頻率很高的情況下。在電池供電情況下，電源管理IC的高電池耗電、高靜態電流 (IQ、無負載) 和低功率轉換效率都會對電池工作時間產生負面影響。因此，在可再充電電池和不可再充電電池兩種情況下，設計師為了向最終用戶提供長的電池工作時間都必須權衡產品性能、靜態電流與工作電流、系統功耗和轉換效率。 上述這一切都將成為過去，這要多謝新推出的低功耗電源管理集成電路 (PMIC)，與其他傳統的高耗電和高熱量PMIC相比，現在的 PMIC 對系統提供了高效電源，而且僅需最少的外圍組件、顯著減小了尺寸和大幅地提高性能。另外，與笨拙的低性能分立IC解決方案相比，這些新的PMIC可大大簡化設計并且縮小解決方案的尺寸。 簡單的解決方案—帶超低IQ和高效開關穩壓器的PMIC 在寬負載范圍內具有低靜態電流和工作電流并且帶有高效開關穩壓器的IC，有助于在便攜式電子設備中保持電池工作時間。凌力爾特公司(Linear) 推出的PMIC帶有 PowerPath控制、超低靜態電流與待機電流、以及一流的集成功能單元電路 (例如高效可編程同步降壓-升壓型和降壓型開關穩壓器) 既簡單又輕松地解決了這些設計挑戰。這之所以成為可能，因為在 PMIC 開發中采用了不同的方案，使用了較多可選的集成度以提供一個緊湊的解決方案，而無需犧牲性能。 例如，LTC3554是一款適合鋰離子/聚合物電池應用的微功耗多功能PMIC。LTC3554 包括了一個USB兼容的線性PowerPath管理器、一個獨立的電池充電器、兩個高效同步降壓型穩壓器和一個按鍵控制電路，它采用超薄 (0.55mm) 的3mm x 3mm UTQFN封裝。當全部輸出保持穩壓時，可選擇的待機模式引腳 (詳見圖1) 可使電池的損耗電流減小到只有10μA。 圖1 LTC3554 在待機模式下的電池損耗電流 當LTC3554從一個USB 端口或5V墻上適配器提供高達400mA的電池充電電流時，它的PowerPath管理器能自動控制負載的優先順序，渾然一體地管理多輸入電源之間的切換以便向負載加電。輸入電流限制是引腳可選的，并且內部設置以滿足USB的電源規范 (需外部電阻器)。LTC3554的輸入電壓允許高達5.5V，為了提高堅固性，其絕對最大瞬態電壓為7V。該IC的“即時接通”運作特性確保電池甚至在完全放電的情況下也可對系統供電。它的自主性工作能力簡化了設計，從而無需一個外部管理器來終止充電。 LTC3554包括兩個內置的同步降壓型穩壓器，它們以 100% 占空比工作，并且每個穩壓器能夠提供高達200mA的輸出電流，可調節輸出電壓低至 0.8V。為了增加靈活性，這兩個穩壓器可獨立控制使能和停用，并且其振蕩頻率和對應轉換速率也是引腳可選的 (1.125MHz 或2.25MHz)，從而允許應用電路動態地對效率和EMI性能作出權衡。該IC 的高開關頻率特性還允許使用小尺寸低成本電容器和電感器。其內置低 RDS(ON) 開關能夠提高效率高達93%，并且使電池工作時間達到最長。另外，突發模式 (Burst Mode) 在輕負載時優化了效率，每個穩壓器的靜態電流僅25μA (在停機模式下 <1μA)，詳見圖1。另外，該穩壓器使用陶瓷電容器時可穩定，從而實現非常低的輸出電壓紋波。 圖2 LTC3554 在突發模式時的電池損耗電流 在輕負載和空載條件下，LTC3554的降壓型穩壓器自動地切換到節能遲滯控制算法，它間歇地操縱開關以便使開關損耗最小。這被稱為突發模式操作，在該模式中，降壓穩壓器使電源開關進行足夠次數的循環， 以把輸出電容器充電至一個略高于穩壓點的電壓。該降壓型穩壓器隨后進入一種減少靜態電流的休眠模式。在這種狀態下，功耗可減到最少，而輸出電容器提供負載電流。只要輸出電壓降低到穩壓點以下，該降壓型穩壓器便從休眠模式喚醒，并且再次調整開關直到輸出電容器電壓再次稍高于穩壓點。因此休眠時間取決于負載電流，由于該負載電流決定輸出電容器的放電速率。如果負載電流增加超過大約50mA，那么該降壓型穩壓器要恢復到恒定頻率運作。 當STBY引腳置高電平，允許全部開關穩壓器在待機模式下工作。在這種模式下，穩壓器保持輸出處于穩壓狀態，而獨立的降壓型穩壓器的靜態電流降低到只有 1.5μA。這種模式適合于具有微功耗待機、休眠或存儲器“持續運作”模式的應用。每個穩壓器的負載能力可降低到5mA。待機模式在負載極輕的情況下使用，此時，即使是突發模式操作的低靜態電流也被認為是過大了。 當兩個穩壓器其各自的PWR_ON引腳的輸入端接低電平時，每個降壓型穩壓器都被停機。在停機狀態下，每個開關穩壓器從電源引腳 (BVIN) 只消耗幾個 nA 的損耗電流。每個被禁止的穩壓器還可在其輸出端從其開關引腳對地接一個10kΩ的下拉電阻器。 LTC3554提供了一個集成按鈕接口，該接口使得能夠利用單個按鈕來完成應用電路的上電和斷電操作，并通過PBSTAT輸出來發送用戶輸入信號。初次撳按按鈕將對降壓型穩壓器的上電操作進行排序，并向應用電路供電。后續的按鈕撳按將由 PBSTAT 輸出端上的一個低電平信號來指示。通過監視PBSTAT信號，應用的微處理器就能夠改變操作或按照某個按鈕命令來執行斷電操作。另外，按鈕接口還具有一種 “硬復位”狀態，通過撳按按鈕達 5 s以上即可達到該狀態。硬復位將把兩個降壓型穩壓器全部斷電，并將LTC3554置于一種超低電流 (<1μA) 狀態，從而節省電池的運行時間 (見圖1)。硬復位可用于給應用電路斷電，或實現從一種應用微處理器的軟件閉鎖狀態回復到正常狀態。 超低IQ PMIC 采用不可再充電電池 (例如：堿性電池或Energizer“e2”鋰電池) 甚至在終端產品的外部進行充電的電池 (比如：鎳電池或可再充電堿性電池) 來給中低端便攜式電子產品供電的情況很常見。為了滿足此類設備的需要，凌力爾特開發了微功率PMIC —— LTC3101。通常在采用兩節AA電池供電的應用中，人們使用一個升壓型穩壓器來產生3.3V電壓軌。然而當采用e2鋰電池時，由于電池電壓較高，VBAT 會高于 VOUT，因此升壓型解決方案要么不起作用，要么效率非常低 (取決于所采用的升壓型轉換器類型)。不過，由于LTC3101采用一個內部降壓-升壓型轉換器來產生3.3V電壓軌，因此沒有輸入電壓限制，并且能夠輕而易舉地處理 e2 鋰電池。總之，降壓-升壓型轉換器的有效性并非僅僅因為它提供了從USB/鋰電池/5V 墻上適配器輸入獲取工作電源的能力，而且還在于必需在采用所有可能的兩節AA電池輸入時實現高效運作。 LTC3101“ 始終保持運行”的 VMAX 和 LDO 輸出負責為關鍵的功能電路或附加的外部穩壓器供電。內部排序電路和獨立的使能引腳提供了靈活的上電和斷電選項。此外，該IC的 PowerPath 控制電路還運用一種低損耗 PowerPath 控制拓撲結構在這些多種輸入電源之間實現了無縫和自動的功率通量管理。每個開關電源的輸入都具有一個額外的開關MOSFET，一個FET連接至BAT輸入，而另一個FET則連接至USB輸入。這使得該IC能夠自動選擇其將要使用的輸入 (如果USB和電池均存在)，并在采用任一種輸入電源進行操作的情況下優化效率。 LTC3101 的降壓-升壓型穩壓器能夠連續提供高達800mA的電流 (當輸入電壓高于3V)，并非常適合在1.8V至5.5V的完整輸入電壓范圍內對一個 3.0V 或 3.3V 輸出進行高效調節。LTC3101 的兩個降壓型穩壓器均具有 100% 的占空比工作，各能提供高達 350mA 的輸出電流，并具有低至 0.6V 的可調輸出電壓。其內部低 RDS(ON) 開關實現了高達 95% 的降壓-升壓效率和高達 93% 的降壓穩壓器效率，從而最大限度地延長了電池的運行時間。此外，突發模式操作還在輕負載條件下優化了效率，總靜態電流僅為 38μA (當所有穩壓器均被使能) 和 15μA (在待機模式中，這時 LDO 和 MAX 輸出處于運行狀態);詳見圖3 和圖 4。1.27MHz 的高開關頻率允許使用纖巧的低成本電容器和高度 <1mm的電感器。另外，所有的穩壓器均在采用陶瓷輸出電容器的情況下保持穩定，從而實現了非常低的輸出電壓紋波。 當PWM引腳被強制為低電平時，兩個降壓型穩壓器都將在突發模式操作和PWM模式之間自動地切換，即：當負載足夠輕時 (低于約 10mA) 工作于突發模式，而在負載較重時則執行PWM模式操作。在壓差操作中，有源P溝道開關將處于持續接通狀態，旨在最大限度地延長電池的使用壽命，詳見圖4。 圖3 在突發模式操作中LTC3101穩壓器的靜態電流 圖4 在待機模式中LTC3101的總靜態電流 |
