用下一代ASSP优化由电池供电的手持式产品的电源管理

　　2006 年，消费者购买了 10 亿多部蜂窝电话，2.2 亿台笔记本式计算机、1.4 亿个 MP3 播放器、9000 万个数码相机和 1000 万台个人导航设备。所有这些产品在内部系统配置上都有一定程度的共性。首先，它们都是由电池供电的，一般采用某种类型的锂离子电池作为主电源，同时将其它输入电源作为备选或用于电池充电。其次，它们都内置了存储系统，通常由 ROM、DRAM 或 NAND 闪存构成，也有很多产品采用了硬盘驱动器（HDD）或 SDIO 卡。市场调查公司 IDC 最近的研究表明，2006 年全球产生了 1610 亿 GB 数字信息。如果将所有这些信息存储到 iPod 中，那么总共需要 20 亿个 iPod。

　　不过，还有一类产品尚未提及，那就是兼有上述两种甚至 3 种产品功能的混合式产品，如便携式媒体播放器（PMP）或数字媒体广播产品（DMB）。这些产品也是将锂离子电池作为主电源，也有大存储容量。这类产品正在迅速成为消费电子产品领域的重要成员。

　　无论是 PMP 还是 DMB 产品，都有一个主要优点，即既可以播放 MP3 也可以播放 MP4 格式的内容。因此，用一个产品就可以听或看 DVD-CD 或从网站上下载的音乐或电影。一般情况下，这类产品可以存储 150 多小时的视频或 1,200 小时的音乐。不过，与任何由电池供电的手持式产品制造商一样，PMP 制造商也承受着一个日益增大的压力：要将所有功能塞进一个外形尺寸已经受限的空间中，同时还要让产品能工作更长时间。

　　由于大多数 PMP 既含有视频播放器也含有 MP3 播放器，因此其内部电子元件需要多个功率级不同的低压输出轨。原因很明显，大多数大规模数字集成电路的工作电压为 1.5V 或更低。同时，存储器和 I/O 的电压要求为 2.5V 至 3.3V。因此，直接用多个负载点 DC/DC 转换器对锂离子电池电压进行转换越来越不现实了，系统设计师们正在采用更加集成化的方法。

　　大多数由电池供电的手持式产品都采用专用集成电路（ASIC）来满足电池充电、电源通路控制、提供多种电源电压以及提供真正输出断接和准确 USB 限流等保护功能的需求。采用这种方法的原因很明显：可以用单个器件满足所有电源管理需求。不过这种方法也有一些缺点。首先，ASIC 采用专门的芯片制造工艺，在实现上述各种功能时难以最大限度地发挥其性能潜力。其次，ASIC 从订货到交货需要较长时间，因为 ASIC 的定义和开发需要较长时间，这个问题在需要短的动态设计周期的今天变得越来越突出了。一个电源管理 ASIC 从概念到交货需要超过 1 年半的时间，这种情况很常见。在这么长时间里，特定产品的设计需求可能已经改变了 3 次或更多。

　　用专用标准产品优化电源管理

　　大多数由电池供电的手持式产品通常都可以用交流适配器、通用串行总线（USB）电缆或锂离子/聚合物电池供电，不过对这些电源之间的电源通路控制进行管理是一个重大的技术挑战。直到最近，设计师们一直在用大量 MOSFET、运算放大器以及此类组件单独实现这一控制功能，但是他们一直面对着热插拔、大浪涌电流等大量问题，这些问题可能导致严重的系统问题。

　　大多数由电池供电的手持式产品都有相同或类似的功能，专用标准产品（ASSP）可以用来实现这些功能，而且没有任何常见的性能损失，不像用单一芯片制造工艺制造的芯片那样常常会有性能损失。凌力尔特公司最近推出了下一代专用标准产品 LTC3555，可以让手持式应用的性能和功能跨上一个新的台阶。

　　LTC3555 采用 4mm x 5mm QFN 封装，无缝地管理交流适配器、USB 电缆和锂离子电池之间的电源通路，同时符合 USB 电源标准。似乎这还不够，LTC3555 还具有全功能锂离子/聚合物电池充电器和 3 个高效率同步降压型转换器，可以提供高达 1.2A 的充电电流，并产生大多数 USB 外部设备所需的低压轨。此外，LTC3555 还具有始终接通的 25mA 低压差线性稳压器，可为实时时钟（RTC）和低功率逻辑电路供电。整个器件可以通过简单的 I2C 接口或简单的 I/O 来控制。

　　图 1 所示的 LTC3555 应用原理图说明了该器件如何实现多种功能。DC/DC 转换是相对简单的降压型转换器功能。LTC3555 3 个片上降压型转换器都以电流模式控制方式工作，无论是以 I2C、引脚可选的突发模式（Burst Mode）还是自动突发模式工作，都可实现高达 95% 的效率。这些 DC/DC 转换器以固定的 2.25MHz 开关频率工作，允许使用非常小的外部电容器和电感器。这些降压型转换器的连续输出电流值分别为 1A、400mA 和 400mA，可编程输出电压范围为 0.8V 至 3.6V。

　　图 1：LTC3555 的简化方框图和原理图

　　USB/WALL 4.5V TO 5.5V：USB/交流 4.5V 至 5.5V

　　CHARGE：充电

　　ENABLE CONTROLS：使能控制

　　USB COMPLIANT STEP-DOWN REGULATOR：符合 USB 规范的降压型稳压器

　　CC/CV BATTERY CHARGER：CC/CV 电池充电器

　　ALWAYS ON LDO：始终接通 LDO

　　TRIPLE HIGH EFFICIENCY STEP-DOWN SWITCHHING REGULATORS：

　　3 个高效率降压型开关稳压器

　　I2C PORT：I2C 端口

　　TO OTHER LOADS：至其它负载

　　OPTIONAL：可选

　　Li-Ion：锂离子电池

　　RTC/LOW POWER LOGIC：RTC/低功率逻辑电路

　　MEMORY：存储器

　　CORE：内核

　　uPROCESSOR：微处理器

　　LTC3555 提供电源的方法与现有电池和电源管理集成电路不同，现有集成电路是充电器馈送型系统。在这类系统中，外部电源不直接向负载供电。取而代之的是，其交流适配器或 USB 端口会用来给电池充电，然后向负载供电。如果电池已经深度放电甚或缺失，那么电源要经过一个延迟时间才能到达负载。这是因为电池在获得所需的最小电量之前不能供电。采用 LTC3555 可以消除这个延迟时间，这样一来，交流适配器或 USB 电源一连上，手持式产品就可以上电。另外，该芯片还会利用未被负载使用的任何可用功率给电池充电。

　　消除充电延迟以及电池充电和为负载供电同时进行这两个优点延长了应用的有效工作时间，并在连接到 USB 电缆时加速充电过程。这种电源管理方法的另一个优点是，无论何时，只要提供交流或 USB 电源，就可提高效率。而且在提供交流或 USB 电源时，还去掉了一个不是必需要的电源转换阶段（即电池充电）。

　　高效率PowerPath开关控制器

　　与具有线性 PowerPathTM 控制器的前一代器件 LTC3455 不同，LTC3555 具有一个高效率开关模式 PowerPath 控制器。LTC3555 的 PowerPath 控制器专为 USB 应用而设计，纳入了一个精确平均输入电流降压型开关稳压器，以最大限度地利用可用的 USB 功率。由于 LTC3555 节省功率，因此它允许 VOUT 端的负载电流超过 USB 端口吸取的电流，而且不会违反 USB 负载规范。PowerPath 开关稳压器与电池充电器通信，以确保输入电流从不违反 USB 规范。另外，BAT 与 VOUT 之间的理想二极管保证总是有充足的功率提供给 VOUT，即使 VBUS 端功率不足或没有电源也一样。

　　图 2：LTC3555 PowerPath 方框图

　　TO USB OR WALL ADAPTER：至 USB 或交流适配器

　　PWM AND GATE DRIVE：PWM 和栅极驱动

　　AVERAGE INPUT CURRENT LIMIT CONTROLLER：平均输入电流限流控制器

　　AVERAGE OUTPUT VOLTAGE LIMIT CONTROLLER：平均输出电压限压控制器

　　C*TANT CURRENT C*TANT VOLTAGE BATTERY CHARGER：恒定电流恒定电压电池充电器

　　IDEAL DIODE：理想二极管

　　TO SYSTEM LOAD：到系统负载

　　OPTIonAL EXTERNAL IDEAL DIODE PMOS：可选外部理想二极管 PMOS

　　SINGLE CELL Li-Ion：单节锂离子电池

　　无论何时，只要 VBUS 可用，且 PowerPath 开关稳压器处于工作状态，功率就可以通过 SW从 VBUS 传递到 VOUT（参见图 2）。VOUT 同时驱动外部负载（图 1 中的开关稳压器 1、2 和 3）和电池充电器。如果组合负载没有超过 PowerPath 开关稳压器的编程输入限流值，那么 VOUT 将保持比电池电压高 0.3V 的电压。通过保持电池充电器电压较低，效率得到了优化，因为线性电池充电器损耗的功率最大限度地减小了，因此，最大限度地提高了提供给负载的功率。

　　如果 VOUT 端的组合负载足够大，使得开关电源达到了通过编程设置的输入限流值，那么电池充电器会以必要的幅度降低充电电流，以满足外部负载的需求。即使电池电流的设置值超过了允许的 USB 电流，也不会违反 USB 规范，因为开关稳压器会始终限制平均输入电流，以确保不违反 USB 规范。此外，VOUT 端的负载电流将始终优先提供，只有超额提供的功率才用来给电池充电。

　　如果 BAT 端的电压低于 3.3V，或者电池不存在，而且负载需求未使开关稳压器违反 USB 规范，那么 VOUT 将稳定在 3.6V。如果负载所需功率超过了可用功率，那么 VOUT 将下降为 3.6V 至电池电压之间的某个电压值。如果负载所需功率超过了 USB 提供的功率时，电池不存在，那么 VOUT 将直接降至地电平。

　　LTC3555 内部有一个理想二极管（参见图 2 右侧）以及一个用于可选外部理想二极管的控制器。理想二极管控制器始终接通，而且无论何时，只要 VOUT 降至低于 BAT，该控制器就会迅速响应。如果负载电流提高到超出了开关稳压器所允许的程度，那么将通过该理想二极管从电池获取额外的功率。此外，如果去掉 VBUS 端的电源（USB 或交流适配器电源），那么所有应用的电源都将通过该理想二极管由电池提供。在 VOUT 端，从输入电源向电池电源的过渡足够快，以允许用仅为 3uF 的电容器保持 VOUT 不下降。无论何时，只要 VOUT 端的电压比 BAT 端电压低大约 15mV（VFWD），就可以保持 VOUT 不下降，因为该理想二极管由一个精确放大器组成，可形成大的片上 P 沟道 MOSFET 晶体管。内部理想二极管的电阻大约为 180mΩ，而且可通过可选电阻降至低于 50mΩ。

　　结论

　　很明显，就特定配置而言，要确保电池寿命得到优化，由电池供电的手持式产品设计师有多种选择。性能优化的多功能 ASSP 可以提供必需的电压和功率，以实现最佳系统性能，同时确保在正常工作时最大限度地减小电池消耗的功率。