電源通路管理器集成電路提供高壓保護(hù)

前言

　　USB 端口是快速數(shù)據(jù)傳輸?shù)氖走x方法，也正在迅速成為便攜式設(shè)備電池充電的首選方法，因?yàn)榭梢圆辉傩枰獑为?dú)的交流適配器。不過，用 USB 端口給設(shè)備電池充電時存在功率限制。另外，由于便攜性需求，越來越需要在家庭之外的場所充電 (例如，在汽車中)。但是汽車電源也有缺點(diǎn)，如電壓瞬態(tài)或來自交流發(fā)電機(jī)的浪涌。因此，電池充電器集成電路需要很好地保護(hù)，以應(yīng)對這類嚴(yán)酷的情況。模擬集成電路中的電源通路(PowerPath)充電系統(tǒng)拓?fù)錇橄到y(tǒng)設(shè)計師和最終產(chǎn)品用戶帶來了無數(shù)優(yōu)點(diǎn)，如能夠自主和無縫地管理多個輸入電源，為系統(tǒng)負(fù)載供電并給電池充電。這種集成電路拓?fù)涑四軠p少熱量，還可實(shí)現(xiàn)較快的充電時間和即時接通工作。

　　這類集成電路的一個新趨勢是集成高壓能力和過壓保護(hù)功能，以處理汽車、Firewire 或未穩(wěn)壓交流適配器輸入。這些電源通路管理器集成電路采用扁平封裝，需要極少的外部組件，可為個人導(dǎo)航器、媒體播放器、數(shù)碼相機(jī)、PDA 和智能電話等手持式電子產(chǎn)品組成簡單、緊湊和經(jīng)濟(jì)的解決方案。

設(shè)計難題

　　能承受汽車電源、Firewire 端口或未穩(wěn)壓 12V/24V 適配器等高壓輸入電源為在家庭或辦公室之外的場所充電提供了方便。例如，有了適配器電源，手持式產(chǎn)品中的適配器電壓和電池電壓之間的壓差可以很大。而視所需充電時間和充電電流的不同，線性充電器也許不能承受這么大的功耗。這種情況通常需要一個具有開關(guān)模式拓?fù)涞募呻娐穪肀３挚焖俪潆?，同時提高效率并減少熱量管理問題。另外，具有高壓能力和/或過壓保護(hù)的集成電路還不容易受到輸入電壓瞬態(tài)的損害，提高了集成電路和系統(tǒng)的抗瞬態(tài)性和可靠性。

　　管理最終產(chǎn)品中的電源通路是另一個設(shè)計難題。今天，很多便攜式電池供電電子產(chǎn)品可以由低壓源 (交流適配器、USB 端口或鋰離子/聚合物電池等) 以及高壓源供電。不過，自主管理這些電源和電池之間的電源通路并為負(fù)載供電帶來了極大的技術(shù)挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)上，設(shè)計師一直用少量 MOSFET、運(yùn)算放大器和其它組件來單獨(dú)實(shí)現(xiàn)這一功能，但是一直面臨著負(fù)載熱插拔、負(fù)載上有大浪涌電流以及大電壓瞬態(tài)等難題，這些問題可能引起嚴(yán)重的系統(tǒng)可靠性問題。

　　鋰離子和鋰聚合物電池是便攜式消費(fèi)類電子產(chǎn)品的首選，因?yàn)樗鼈兊哪芰棵芏认鄬^高，在給定尺寸和重量限制下，可比其它可用化學(xué)材料實(shí)現(xiàn)更高的電池容量。隨著便攜式產(chǎn)品變得越來越復(fù)雜，它們消耗的功率也越來越多，因此對較高容量電池的需求也增強(qiáng)了，相應(yīng)地也需要更先進(jìn)的電池充電器。較大的電池要充滿電就需要較高的充電電流或者需要更長的充電時間。另外，在很多情況下，能用 USB 端口給電池充電意味著對用戶更方便，但是 USB 兼容性造成了對 USB 電流(最大 500mA)和功率(最大 2.5W)的限制。基于 USB 的電池充電器必須盡可能高效率地從 USB 端口抽取更多功率，以滿足今天功率密集型應(yīng)用嚴(yán)格的熱量限制。

　　大多數(shù)消費(fèi)者都希望縮短充電時間，因此提高充電電流似乎是顯而易見的選擇，但是提高充電電流有兩個大的弊端。首先，就線性充電器而言，提高電流會增加功耗，這些功耗轉(zhuǎn)換成了熱量，從而將典型的實(shí)際“最大”功率降至 2.1W。其次，充電器必須視主器件協(xié)商好的模式，將從 5V USB 總線吸取的電流限制為 100mA(500mW)或 500mA(2.5W)。充電過程中浪費(fèi)的任何功率都直接導(dǎo)致較長的充電時間。需要高效率充電、電池充電器集成電路具有高的功能集成度以及需要節(jié)省電路板空間和提高產(chǎn)品可靠性，這些都給由電池供電的電子產(chǎn)品的設(shè)計師施加了壓力。

　　制造商們也正在改變印刷電路板的使用方式，現(xiàn)在他們不是使用單個多層電路板，而是越來越多地在空間受限設(shè)計中使用相互堆疊的多個電路板。先進(jìn)的封裝有助于減少高度/厚度并節(jié)省印刷電路板面積，可以實(shí)現(xiàn)更高效的堆疊。

　　總之，系統(tǒng)設(shè)計師面臨的主要難題包括：

　　●最大限度地提高從 USB 端口獲得的電流(可提供 2.5W)；
　　●管理多個輸入電壓源和電池之間的電源通路，同時向負(fù)載供電；
　　●保護(hù)集成電路免被高壓系統(tǒng)瞬態(tài)損壞；
　　●最大限度減少熱量同時快速充電；
　　●最大限度提高充電效率和延長電池工作時間；
　　●最大限度減小解決方案占板面積和高度。

　　具有高壓輸入能力和過壓保護(hù)功能、集成和緊湊的電源通路管理器 IC 簡單輕松地解決了這些問題。

一個簡單的解決方案

　　具有電源通路控制功能的集成電路能夠自主和無縫地管理 USB、交流適配器、電池等不同輸入電源之間的電源通路，同時優(yōu)先向負(fù)載供電。為了確保充滿電的電池在連接 USB 總線時仍然保持滿電量，這類集成電路通過 USB 總線向負(fù)載供電而不是從電池抽取功率。一旦電源去掉，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，從而最大限度地提高效率、降低功耗。理想二極管的正向壓降遠(yuǎn)低于常規(guī)或肖特基二極管，因此最大限度地提高了能量傳輸效率，反向電流泄漏也更小。典型值為 20mV 的微小正向壓降減少了功率損耗和自熱，因此延長了電池工作時間。另外，三終端(或“中間總線”)拓?fù)淙サ袅穗姵嘏c VOUT 的耦合，允許最終產(chǎn)品一插上電源插頭就立即工作，而不管電池的充電狀態(tài)甚至電池缺失也一樣，這通常稱作“即時接通”工作。

　　電池充電器與電源通路控制器和理想二極管器件(“電源通路管理器”)集成，可高效管理各種輸入電源、給電池充電、優(yōu)先向負(fù)載供電并降低功耗。電源通路控制電路可以采取線性或開關(guān)拓?fù)?，因?yàn)橐暰唧w充電要求不同，他們對系統(tǒng)而言都有一定的優(yōu)點(diǎn)。

開關(guān)電源通路系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)

　　與電池饋送型系統(tǒng)相比，線性電源通路系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是向負(fù)載/系統(tǒng)提供功率的效率高，但是在線性電池充電器單元中有功率損耗，尤其是如果電池電壓較低(導(dǎo)致輸入電壓和電池電壓之間出現(xiàn)大的壓差)時更是這樣。而基于開關(guān)模式拓?fù)涞碾娫赐冯娐吠ㄟ^符合 USB 要求的降壓型開關(guān)穩(wěn)壓器產(chǎn)生中間總線電壓，穩(wěn)壓器穩(wěn)定在比電池電壓高 300mV 的電壓上(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作“電池跟蹤(Bat-Track)”。穩(wěn)定的中間電壓剛好高到允許通過內(nèi)部線性充電器恰當(dāng)充電。用這種方法跟蹤電池電壓，最大限度地降低了線性電池充電器中的功率損耗、提高了效率并最大限度地提高了提供給負(fù)載的功率。具有平均輸入限流的開關(guān)架構(gòu)最大限度地提高了使用 USB 電源提供的所有 2.5W 功率的能力?？蛇x外部 PFET 降低了電池和負(fù)載之間理想二極管的阻抗，進(jìn)一步減少了熱損耗。這種架構(gòu)是使用大電池(>1.5AHr)的系統(tǒng)“必須”采用的。

圖 1  簡化的開關(guān)電源通路電路(4088 F01)