電源管理IC優(yōu)化了一流的電路模塊

對于通過提高多種分立電源IC的集成度來節(jié)省PC板級空間的需求是催生PMIC的主要原因。在過去的5～10年時間里，這些SoC型IC已經(jīng)成為了很普通的產(chǎn)品。然而，它們的外形尺寸相當(dāng)大，而且對于設(shè)計師來說，還存在著“隱性”成本和性能局限。

不過，如今已經(jīng)有了更加優(yōu)化的解決方案，如凌力爾特公司開發(fā)的新一代PMIC。這些IC集合了“難以完成”的功能電路模塊功能，如電源路徑管理、高效同步開關(guān)穩(wěn)壓器、USB On-the-Go、過壓保護、高電壓輸入和全功能電池充電器等。其小外形、扁平QFN封裝和極少的外部組件造就了適合手持式電子設(shè)備(特別是那些利用USB電源的設(shè)備)的簡單、緊湊且具成本效益的解決方案。同時，它們在其他市場空間里同樣擁有屬于自己的一片天地！
　　
圍繞“過度集成化”進行設(shè)計
有些PMIC雖然可以節(jié)省板級空間，但對設(shè)計師而言，其中的很多IC隱性成本高，需要額外的設(shè)計時間，并存在性能局限。業(yè)界標準的PMIC外形較大，會產(chǎn)生大量的局部熱量，且含有許多并非應(yīng)用所必需的功能，從而增加了復(fù)雜性。在很多設(shè)計場合中，即使集成是絕對必要的，設(shè)計師也別無選擇，只能為額外的功能“買單”(即便他們將僅使用芯片全部功能的一部分)。雖然采用多個IC加一個分立組件的方法是業(yè)已運用的替代方案，但這種做法會占用較多的板級空間、造成成本上升、增加制造復(fù)雜性，并導(dǎo)致材料用量的增多。

減少熱量
許多業(yè)界標準PMIC都具有多種板載線性穩(wěn)壓器。然而，如果未能利用足夠的銅走線、散熱器或設(shè)計精良的輸入/輸出電壓和輸出電流水平來對線性穩(wěn)壓器進行正確的管理，則其將會在PC板上產(chǎn)生大量的局部熱量或“熱點”。另一方面，當(dāng)輸入/輸出差分電壓或輸出電流很高時，開關(guān)穩(wěn)壓器可以提供一種更加有效的降壓和電壓轉(zhuǎn)換方法。在具有板載低電壓微處理器的多功能設(shè)備中，這是很常見的。因此，實現(xiàn)用于大多數(shù)電壓軌的開關(guān)模式電源的必要性正在日益增加。此外，線性電池充電器可能是另一個發(fā)熱源 (取決于輸入電壓與電池電壓之差和充電電流)。原則上，就功耗而言，線性充電器相當(dāng)于線性穩(wěn)壓器。因此，在同一塊芯片上集成LDO和線性充電器有可能產(chǎn)生熱問題，需要采取相應(yīng)的對策來解決。

從單節(jié)鋰離子電池產(chǎn)生中間電壓軌
如今的許多時尚型多功能便攜式電子產(chǎn)品仍然需要+3.3V左右的電壓軌，如用于給I/O或一個HDD供電。顯然，單靠LDO并不足以從單節(jié)鋰離子電池輸入來產(chǎn)生這些系統(tǒng)電壓，因為它們可能只進行降壓操作。甚至連采用降壓型開關(guān)穩(wěn)壓器也可能不夠。那些利用整個鋰離子電池電壓范圍的應(yīng)用可能需要一個升降壓型穩(wěn)壓器，該穩(wěn)壓器能夠有效地提供一個固定的輸出電壓，而不管輸入是高于、低于還是等于該輸出。對于那些具有高脈動電流要求的系統(tǒng)來說，情況也是如此——在未接入一個大輸入電容器 (用于防止在VIN上產(chǎn)生壓降)的時候，降壓型穩(wěn)壓器或LDO會失去輸出調(diào)節(jié)作用。

多輸入電源的管理
在便攜手持式產(chǎn)品中管理功率通量并最大限度地減少發(fā)熱量是一項重大的設(shè)計難題。越來越多的便攜式電池供電型產(chǎn)品可以從低電壓電源，如5V墻上適配器、一個USB端口或鋰離子/鋰聚合物電池，以及高電壓電源來取電。在對這些輸入電源和電池之間的功率通量進行自主管理的同時也要有效地向負載供電，這就產(chǎn)生重大的技術(shù)障礙。傳統(tǒng)上，在便攜手持式產(chǎn)品中管理功率通量并最大限度地減少發(fā)熱量是一項重大的設(shè)計難題。越來越多的便攜式電池供電型產(chǎn)品可以從低電壓電源，如5V墻上適配器、一個USB端口或鋰離子/鋰聚合物電池，以及高電壓電源來取電。在對這些輸入電源和電池之間的功率通量進行自主管理的同時也要有效地向負載供電，這就產(chǎn)生重大的技術(shù)障礙。傳統(tǒng)上，為了實現(xiàn)該功能，設(shè)計師們采取的是分立型方法，即使用少量的MOSFET、運算放大器和其他組件，但會面臨熱插拔、發(fā)熱量過大、大浪涌電流以及至負載的大瞬態(tài)電壓等難題。

從USB高效地吸取功率
USB技術(shù)提高了電子設(shè)備的便利性。如果能夠從USB端口來對設(shè)備進行充電，將帶來很大的便利，并免除增設(shè)一個單獨墻上適配器之需。然而，當(dāng)把USB用于給設(shè)備的電池進行充電時，存在著功率限制(最大可用功率為2.5W)。因此，電池充電器必須在不超過終端產(chǎn)品熱限度的情況下高效地從USB端口吸取功率。
　　
PowerPath控制
新型PMIC的一個重要的特點是PowerPath控制。這種自動負載優(yōu)先級處理提供了對多種輸入電源之間的功率通量進行自主和無縫管理的能力，并優(yōu)先向系統(tǒng)負載供電。在傳統(tǒng)的電池饋電型充電系統(tǒng)中，用戶必須等待，直到存在足以獲取系統(tǒng)電源的電池充電和電壓電平為止。與此相反，PowerPath控制使得終端產(chǎn)品能夠在插上電源后立即運作(而不管電池的充電狀態(tài)如何)，這通常被稱為“即時接通”操作。線性和開關(guān)拓撲結(jié)構(gòu)都可以采用PowerPath控制電路。線性PowerPath拓撲結(jié)構(gòu)的優(yōu)點包括Bat-TrackTM自適應(yīng)輸出控制能力(利用一個外部高電壓降壓型穩(wěn)壓器來實現(xiàn))和熱性能的改善 (功率輸送至系統(tǒng)負載)。開關(guān)模式PowerPath技術(shù)保持了這些優(yōu)點，并改善了至負載/系統(tǒng)以及至電池的功率輸送效率。它消除了線性電池充電器組件中的功率損失（當(dāng)電池電壓很低和/或輸入功率有限時，這一點尤其關(guān)鍵），并使其擁有了卓越的熱特性。另一個重要的優(yōu)點是，在電池電壓很低的情況下，它能夠從一個標準的USB端口(～2.3W)吸取高達700mA的電池充電電流。表1概要羅列并比較了三種不同的USB充電系統(tǒng)拓撲結(jié)構(gòu)。

集成升降壓和升壓型穩(wěn)壓器能力
具有中高輸出電流的低電壓軌 (例如，用于給微處理器內(nèi)核供電并低至  0.8V的電壓軌) 可以高效地從同步降壓型穩(wěn)壓器產(chǎn)生。然而，許多時尚型多功能便攜式電子產(chǎn)品仍然需要一個+3V或+3.3V的中間電壓軌。通過把同步升降壓型開關(guān)操作能力集成到PMIC之中，可在整個鋰離子/鋰聚合物電池輸入范圍內(nèi)高效地提供3.3V穩(wěn)壓，從而增加了操作裕度。此外，同步升壓型穩(wěn)壓器還能夠以高于80%的上佳效率來實現(xiàn)至高于鋰離子電池電壓范圍的電壓軌“升壓”轉(zhuǎn)換。而且，高開關(guān)頻率減小了外部組件的尺寸，而采用陶瓷電容器則降低了輸出紋波。

較長的電池使用壽命和運行時間
能否準確地將鋰離子/鋰聚合物電池充電至其最終的浮動電壓，將對電池的使用壽命產(chǎn)生重要的影響。這是通過選擇一個具有嚴格浮動電壓準確度并運用準確充電終止算法的合適電池充電IC來管理的，所有這些將最大限度地延長電池的運行時間，而不會導(dǎo)致電池被過度充電。此外，低系統(tǒng)待機(靜態(tài))電流以及利用同步整流實現(xiàn)的高開關(guān)穩(wěn)壓器轉(zhuǎn)換效率產(chǎn)生了很小的系統(tǒng)電流消耗，從而進一步地延長了電池的運行時間。在輕負載條件下，突發(fā)模式(Burst Mode)操作將自動地減小開關(guān)穩(wěn)壓器靜態(tài)電流(Iq)，以幫助降低器件的電流消耗。

下面，我們將介紹兩個具體的實例。

LTC3586 PMIC
LTC3586 PMIC集成了1個開關(guān)PowerPath管理器、1個獨立型電池充電器、4個高效率同步開關(guān)穩(wěn)壓器(1個升降壓型、1個升壓型和2個降壓型穩(wěn)壓器)和1個始終保持接通的LDO，它們被全部整合在一個緊湊、扁平的38引腳4mm×6mm QFN封裝中。

圖1 LTC3586的簡化方框圖

為了實現(xiàn)快速充電，LTC3586的開關(guān)輸入級將可從USB端口獲得的2.5W功率幾乎全部轉(zhuǎn)換成了充電電流，從而提供了高達700mA(從一個電流限值為500mA的USB電源)或高達1.5A(當(dāng)采用墻上適配器供電時)的充電電流。LTC3586的升降壓型穩(wěn)壓器能夠提供高達1A的連續(xù)電流，并且非常適合于在整個鋰離子電池電壓范圍內(nèi)(低至2.7V輸入)對一個3.3V輸出進行高效穩(wěn)壓。其兩個降壓型穩(wěn)壓器具有100%的工作占空比，而且各能提供400mA的輸出電流，并具有低至0.8V的可調(diào)輸出電壓。升壓型穩(wěn)壓器能夠提供至少800mA的輸出電流，且具有一個高達5V的可編程輸出。LTC3586的內(nèi)部低RDS(ON)開關(guān)實現(xiàn)了高達94%的降壓和升降壓效率，從而最大限度地延長了電池的運行時間。此外，突發(fā)模式操作還優(yōu)化了輕負載條件下的效率，靜態(tài)電流僅為25μA(對于升降壓型穩(wěn)壓器)和35μA(對于每個降壓型穩(wěn)壓器)。2.25MHz的高開關(guān)頻率允許使用纖巧型、低成本的電容器和高度<1mm的電感器，并實現(xiàn)了非常低的輸出電壓紋波。此外，所有的穩(wěn)壓器均能夠在采用陶瓷輸出電容器的情況下保持穩(wěn)定，從而實現(xiàn)了小占板面積，且不會發(fā)生熱問題。
　　
LTC3576 PMIC具有USB OTG支持能力
LTC3576內(nèi)置1個具輸入過壓保護和USB On-The-Go(OTG)功能的雙向開關(guān)電源管理器、1個獨立型電池充電器、3個高效率同步降壓型穩(wěn)壓器、1個理想二極管、I2C控制功能和一個始終保持接通的LDO，所有這些都被集成在一個緊湊、扁平的38引腳4mm×6mm QFN封裝之中(見圖2)。

圖2 LTC3576的簡化方框圖

LTC3576的USB兼容型雙向開關(guān)穩(wěn)壓器具有100mA和500mA的可編程輸入電流限值，以及一個1A的墻上適配器輸入電流限值。該IC還能夠從電池獲取功率，以在不增設(shè)任何組件的情況下產(chǎn)生USB OTG應(yīng)用所需的500mA(在5V)電流，從而使得該器件可以起一個主機的作用。該IC提供了一個過壓保護(OVP)控制電路，用于防止其輸入因意外施加高達66V的電壓而受損。OVP電路能夠保護USB端口，即使在IC為USB OTG供電的情況下也不例外。LTC3567利用一個配套使用的凌力爾特高電壓開關(guān)穩(wěn)壓器提供了Bat-TrackTM控制，以從高電壓輸入實現(xiàn)高效充電，同時最大限度地減少熱耗散，并在USB和較高電壓電源之間提供一種無縫切換。
LTC3576的三個集成同步降壓型穩(wěn)壓器在采用陶瓷電容器時可實現(xiàn)穩(wěn)定，具有100%的工作占空比，并能夠分別輸送1A/400mA/400mA的輸出電流，且可調(diào)輸出電壓低至0.8V。內(nèi)部低RDS(ON)開關(guān)實現(xiàn)了高達94%的效率，從而最大限度地延長了電池的運行時間。此外，突發(fā)模式操作還優(yōu)化了輕負載條件下的效率，每個穩(wěn)壓器的靜態(tài)電流僅為20μA(在停機模式中<1μA)。所有三個降壓型開關(guān)穩(wěn)壓器均可通過I2C接口對其電壓實施“執(zhí)行中”調(diào)節(jié)，以實現(xiàn)電壓裕度調(diào)節(jié)或優(yōu)化微處理器中的性能/功率折衷方案。最后，2.25MHz的高開關(guān)頻率允許使用纖巧型、低成本的電容器和高度 <1mm的電感器。
　　
各式各樣的最終應(yīng)用
新型PMIC系列已經(jīng)成為諸如個人媒體播放器(PMP)、個人導(dǎo)航裝置(PND)、電子圖書閱讀器和智能手機等消費類手持式USB供電型產(chǎn)品的極佳選擇。然而，由于增加了新的功能塊并提高了電壓和功率輸送能力，使得這些新型PMIC滲透到了其他的市場空間中，如工業(yè)便攜式產(chǎn)品或便攜式數(shù)據(jù)輸入終端將得益于高輸入電壓能力、以及針對工業(yè)系統(tǒng)總線電壓的輸入電壓瞬變的過壓保護功能，醫(yī)療設(shè)備將得益于多種電壓軌組合和低靜態(tài)電流，便攜式汽車診斷和個人導(dǎo)航裝置(PND)單元可得益于高電壓輸入能力，以便除USB之外還能從高電壓電源高效地對這些單元進行供電。即使諸如視覺系統(tǒng)和戰(zhàn)場環(huán)境傳感器系統(tǒng)等軍事應(yīng)用也將從PMIC的堅固型設(shè)計和高電壓能力當(dāng)中獲益匪淺。