關(guān)鍵設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)

站在終端用戶的角度,在線性和開關(guān)模式電池充電IC之間存在著一些設(shè)計(jì)折衷。就像LDO那樣,線性電池充電器所占體積小,外接元器件也少(例如,無需使用電感),但是效率低,可用電能少,并產(chǎn)生較多的熱量。但在成本和空間比效率更重要的一些場合,線性充電IC就比較合適。相反在其它場合,開關(guān)模式則更為合適。可見,對更高的充電效率、電池充電IC中的更高集成度、更高的空間利用率、以及增加產(chǎn)品的靈活度等方面的各種需求,都為靠電池供電的電子設(shè)備的設(shè)計(jì)帶來巨大壓力。系統(tǒng)設(shè)計(jì)師研發(fā)設(shè)計(jì)時面臨的挑戰(zhàn)主要包括:

1. 自動管理多路電源或負(fù)載

2. 充電時使來自USB的功率和效率最高

3. 發(fā)熱最少

4. 快速充電時充電電流高

5. 在汽車應(yīng)用中能夠以高電壓工作

6. 減小電路板和封裝外形

為了應(yīng)對上述的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn),必須采用全面的解決方案,主要包括:

電源管理——利用PowerPat控制和理想二級管

目前,絕大多數(shù)由電池供電的電子設(shè)備都采用以下幾種供電方式:墻體適配器,汽車適配器,USB口或鋰電池。然而,在各類輸入電源間的電源通道控制的自動管理方面卻存在著巨大的技術(shù)挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)上,設(shè)計(jì)師試圖利用分離的方案,即利用一些場效應(yīng)管、比較器以及一些分離元器件來實(shí)現(xiàn)這一功能,但在解決熱插拔和大浪涌電流方面面臨著巨大的問題,從而引起系統(tǒng)的可靠性問題。不久前,分離的IC解決方案甚至還要求使用幾個芯片來實(shí)現(xiàn)。而如今,只需要一個集成電源管理器就能夠簡單又容易地解決這些問題。

電源通道控制允許終端產(chǎn)品即插即用,而不管電池的充電狀態(tài),或者說即便是電池根本就不在,即所謂的“即時接通(instant-on)”模式。一只具有電源通道控制的IC為設(shè)備提供功率,并通過USB接口或一個墻體電源適配器來為單一單元鋰電池充電。為了在充電電源線尚未斷開的時候確保充滿電的電池保持不用,IC直接通過USB線為負(fù)載供電,而不從電池吸取功率。一旦電源去掉后,來自電池的電流便通過內(nèi)部的低損耗理想二級管送到負(fù)載,從而將電壓降和功耗降到最小。

理想二級管的正向電壓降遠(yuǎn)小于傳統(tǒng)的或肖特基二級管的正向電壓降,且其反向電流泄漏也比較小。小的正向電壓降將減小功耗和自發(fā)熱,從而延長了電池壽命。

最大化USB的充電功率和效率

使用線性充電器,增加充電電流將增加額外的功耗,或者說增加發(fā)熱。當(dāng)用USB充電時,充電IC必須將總線電流限制到100mA(500mW)或500mA(),具體取決于與主控制器確定的模式。在用線性電源通道系統(tǒng)充電時,系統(tǒng)負(fù)載可以通過USB口利用接近全部的,只要不超過輸入電流的限制。這種情況下,V_OUT僅略低于輸出電壓(例如5V)。然而,由于電池電壓可能比5V輸入電壓低得多,大量的功率(VIN與V_OUT的電壓差乘以充電電流)將通過線性電池充電器中的調(diào)整元件消耗掉。而開關(guān)電源通道方案則利用了Bat-Track功能。Bat-Track是一種自適應(yīng)的輸出控制,其中的輸入電路使調(diào)節(jié)器輸出電壓自動地跟蹤電池電壓。于是,通過保持電池充電器上的電壓盡可能地低,最佳地利用可用的輸入功率,因此極大地改善了電池充電器的調(diào)整元件的效率。

LTC4088將這些高效率的功能集成到一片高密度的3×4mm DFN封裝IC中,并需要最少的外部元件(詳見圖1)。它是一片可用于便攜式USB供電設(shè)備的、自治的高效率開關(guān)電源管理器、理想的二級管控制器和(來自墻體適配器)獨(dú)立的電池充電器。其開關(guān)前端拓?fù)涔δ躊owerPath控制和Bat-Track減緩了空間限制較大的便攜式電子設(shè)備中的熱管理問題,特別是對于那些需要大容量電池的產(chǎn)品更為有利。

圖1:LTC4088的典型應(yīng)用電路。    

LTC4088的開關(guān)模式前端拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)還允許V_OUT負(fù)載電流在不超過USB負(fù)載指標(biāo)時超過從USB口吸取的電流。保守的電源可實(shí)現(xiàn)高達(dá)700mA的電流,從而可實(shí)現(xiàn)USB的快速充電(圖2)。如果電源去掉后,該IC確保系統(tǒng)的應(yīng)用負(fù)載可以從電池獲取功率,而電流流經(jīng)一個內(nèi)部低損耗180mΩ的理想二級管,從而將電壓降和功耗降到最小。

圖2 :LTC4088的充電電流與電池電壓的關(guān)系。      

高輸入電壓和USB兼容性相結(jié)合

通過接受高輸入電壓源,例如火線/IEEE1394,12V?C24V墻體適配器,未經(jīng)調(diào)節(jié)的高壓(>)墻體適配器,或者是汽車內(nèi)的適配器輸出,可以在家庭或工作場所以外的地方提供快速充電。利用這些電源,適配器電壓和手持設(shè)備中的電池電壓之間的差可能非常大。于是,根據(jù)所需的充電時間和充電電流,線性充電器將無法處理功耗問題。這就需要具有開關(guān)技術(shù)的IC,在改善效率和減緩熱管理問題的同時維持快速充電。需要指出的是,線性充電器也能夠?qū)崿F(xiàn)快速充電,可能更適合USB充電,鋰電池或輸入電壓小于的墻體適配器。不過,高電壓IC還不易受電壓輸入瞬變的影響,進(jìn)而增加了IC和系統(tǒng)的免疫力和可靠性。

LTC4089包含了所有這些功能(圖3)。該器件為一款自治的線性電源管理器,理想的二級管和獨(dú)立的高壓、高效率電池充電器,具有高壓開關(guān)調(diào)節(jié)器前端,與高達(dá)36V(最高40V)的高壓電源兼容,這些電源包括12V墻體適配器,汽車適配器和火線接口。此外,它還接受低壓電源,例如5V適配器和USB。Bat-Track適配輸出控制極大地改善了充電器的效率,電路板上安裝了一個200mΩ低損耗理想二級管來將電壓降和功耗降到最小。被封裝在一個低高度()的3×6mm DFN封裝內(nèi)。

圖3 :LTC4089的典型應(yīng)用電路。    

本文小結(jié)

Linear Technology公司的龐大且不斷充實(shí)的電源管理器/電池充電器IC家族,使得產(chǎn)品設(shè)計(jì)師的工作更加容易,其特色是具有很寬的高性能選擇范圍,且范圍從帶充電器的高壓線性電源管理擴(kuò)展到帶充電器的快速充電高效率開關(guān)模式電源管理器。

作者:Steve Knoth

產(chǎn)品行銷工程師

凌力爾特公司