电源管理集成电路延长电池工作时间

产品市场工程师

Steve Knoth

背景

在今天组件和功能都很丰富的便携式电子设备中，电源轨的数量已经增多，而电压则下降，不过今天很多现代设备仍然需要 3V 或 3.3V 电源轨为硬盘驱动器、存储器、微控制器内核和 I/O 以及逻辑电路供电。传统上，这些电压轨由降压型开关稳压器或低压差稳压器（LDO）供电，不过这些稳压器集成电路不能充分利用锂离子电池的全部工作电压范围，因此实际上没有达到设备电池可能提供的最长工作时间。不过，可以降低或升高电压的降压-升压型稳压器的出现已经允许充分利用电池的全部工作电压范围了，因此，随着更多电池可用容量得到利用，尤其是在较低电压端，工作电压裕度得到了提高，电池工作时间也得到了延长。

在电池充电方面，USB 端口一直是首选的快速数据传送途径，也正在成为首选的便携式设备电池充电途径，从而不再需要单独的交流适配器。不过，USB 端口用来给设备电池充电时，存在功率限制。模拟集成电路中的电源通路（PowerPathTM）充电系统拓扑给系统设计师和最终产品用户带来了无数好处，如能够自主和无缝地管理多个输入电源，除了给电池充电，还优先向系统负载供电。另外，用这种集成电路拓扑还可以减少热量、加快充电并在电池容量耗尽时实现即时接通工作。

这种复杂电源管理集成电路（PMIC）的一个新的发展趋势是集成 DC/DC 转换器，这种转换器在宽负载电流范围内具有高效率并具有低备用（静态）电流以延长电池工作时间。这就导致了大规模电源管理集成电路的产生，这类集成电路采用扁平封装，只需极少的外部组件就可为手持式电子设备组成简单、紧凑和经济的解决方案，个人导航器、媒体播放器、数码相机、PDA、便携式摄像机、小型投影仪、电子相簿、智能电话等电子产品都可以采用这种电源管理集成电路。最近，降压-升压型稳压器已经在电源管理集成电路中用于在整个锂离子电池电压范围内调节 3.3V 等中间输出电压，以进一步延长电池工作时间。

设计难题

显然，在便携式设备中，电池寿命和电池工作时间是需要考虑的关键因素。越来越多的功能导致电池容量在使用时承受着巨大的压力，进而造成充电和再充电周期的频繁交替，并使电池运行时间受到限制。很多因素都可能影响锂离子/聚合物电池的使用寿命，如储存温度、充电状态、充电/放电频度（鉴于每节电池的充电/放电周期数都是有限的）以及是否完全充电或有“浮动”电压。好消息是，这些因素中有些是可用良好的电池充电集成电路来控制。另外，集成电路的大电源电流和低电源转换效率可能缩短电池工作时间，导致更频繁地充电，因此潜在影响了电池寿命。控制充电频度以及充电电流与电压的准确度以利于最终用户是问题的一个方面，产品使用率是问题的另一个方面，必须在这两方面之间找到折衷办法，这是一项需要反复进行的工作。

锂离子电池和锂离子聚合物电池是便携式消费类电子产品的首选，因为它们有相对高的能量密度，在给定外形尺寸时，它们比其它可用化学材料提供更大的容量。随着便携式产品变得越来越复杂，它们消耗的功率也越来越多，因此对更高容量电池的需求也加大了，并相应产生了对更先进的电池充电器的需求。容量较大的电池要充满电，或者需要较大的充电电流，或者需要更长时间。另外，在很多情况下，通过 USB 给电池充电意味着对用户更方便，不过 USB 兼容性对 USB 电流（最大 500mA）和功率（最大 2.5W）有限制。基于 USB 的电池充电器应该尽可能高效率地从 USB 端口抽取尽可能多的功率，同时还要满足今天功率密集型应用严格的热量限制。

由磷酸锂离子电池化学组成的新型电池实现了更长的工作时间，但是它们的电压放电曲线延长了，在电池电压低于 3V 时还有极多能量可用。这种特性影响了有关电源转换系统，使得必须有同步降压-升压型稳压器，以产生 3V 或高于 3V 的输出。

除了为负载供电，还要自主管理不同电源和电池之间的电源通路，这带来了极大的技术挑战。传统上，设计师尝试用少量 MOSFET、运算放大器和其它组件以分立方式实现这一功能，但是面临着热插拔、大浪涌电流、大负载瞬态电压等难题，这些难题可能引起极大的系统可靠性问题。

一种具有降压-升压调节能力的集成、紧凑和基于电源通路的电源管理集成电路简单轻松地解决了这些问题。

一种简单的解决方案

更长的电池寿命和工作时间

是否将电池准确充电至最终浮动电压对电池寿命有非常大的影响。这可以通过选择一款具恒定电流、恒定电压拓扑结构、高充电电流、严格浮动电压准确度和准确充电终止算法的精细电池充电 IC 来控制。这有助于避免电池过冲电。另外，通过同步整流实现低集成电路备用（静态）电流和高开关稳压器转换效率，可使便携式电子设备消耗较低的系统电流，从而延长电池工作时间。在轻负载时自动降低静态电流（Iq）也有助于降低设备消耗的电流。

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降压-升压能力和灵活性

今天，很多功能丰富的现代便携式电子产品仍然需要 +3V 范围内的电压轨。在电源管理集成电路中集成同步降压-升压开关能力允许在 2.7V 至 4.2V 的整个锂离子/聚合物电池电压范围内以高效率实现 3.3V（例如）稳压，从而提高工作电压裕度。例如，在 3.3V 时，降压-升压型稳压器能够“穿越”可能迫使降压型稳压器失去稳定状态的电池瞬态。另外，高开关频率减小了外部组件尺寸，陶瓷电容器降低了输出纹波。

开关电源通路系统

凌力尔特公司的电源通路管理器产品系列在线性和突破性的开关模式拓扑方面为设计师提供了新的选择，以最适合他们的应用需求。这种关键的“难以实现”电路构件最近已经集成到凌力尔特公司的电源管理集成电路中，为克服设计师当今面临的复杂电源管理难题提供了自主、高效率和紧凑的解决方案，并最终为这些便携式产品的终端用户带来了显著的好处。

简单和相对低价的第一代 USB 兼容应用直接在 USB 端口和电池之间加入限流电池充电器，电池直接向系统负载供电（“电池馈送型”）。这些系统有效率限制和热耗散问题，从 USB 端口获得的充电电流限制在 500mA。第二代线性电源通路系统与电池馈送型系统相比，在向负载/系统供电方面有极大的优势，但是功率损失在线性电池充电器单元内，尤其是如果电池电压较低时（在输入电压和电池电压之间引起大的压差）更是这样。开关电源通路管理是最新的突破性电源通路技术。这种技术正在迅速流行，并适合今天手持式电子产品功能不断增多并相应需要较大容量电池的情况。这种类型的电源通路器件通过 USB 兼容降压型开关稳压器产生中间总线电压，该稳压器的输出（VOUT）稳定在高于电池电压的固定电压上，参见图 1 以获得详细信息。

图 1：简化的开关电源通路电路

这种开关模式技术保留了线性电源通路系统的优点（即是即时接通工作，自主控制输入、系统/负载和电池之间的电源通路），同时提高了向负载/系统和电池供电的效率。它降低了线性电池充电器单元损失的功率，这在电池电压较低和/或输入功率有限（即 USB）时尤其重要，从而实现了卓越的热特性。第二大优点是其能够通过功率保持，从标准 USB 端口（约 2.3W）抽取高达 700mA 的电池充电电流。参见表 1 以了解 3 种不同 USB 充电系统拓扑的概况并进行比较。

表 1：USB 电池充电系统拓扑比较

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LTC3566 C 结合开关电源通路控制与灵活的降压-升压稳压

LTC3566 是用于锂离子/聚合物电池应用的紧凑型下一代、多功能电源管理解决方案系列的最新产品。LTC3566 集成一个开关电源通路管理器、一个独立电池充电器、一个 1A 高效率同步降压-升压型稳压器、一个理想二极管和控制器以及一个始终保持接通的 LDO，采用紧凑的扁平 4mm x 4mm QFN 封装，参见图 2 以获得详细信息。其即时接通工作甚至在电池没电时也确保向系统负载供电。就快速充电而言，LTC3566 的开关输入级几乎将 USB 端口提供的所有 2.5W 功率都转换成充电电流，可使从 500mA 限定值的标准 USB 电源获得高达 700mA 的电流，当由交流适配器供电时可获得高达 1.5A。内部 180mΩ 理想二极管加上可选外部理想二极管控制器提供从电池到系统负载的低损耗电源通路，从而进一步减少所产生的热量并最大限度提高效率。

图 2：LTC3566 简化方框图

LTC3566 含有一个 1A、2.25MHz 恒定频率电压模式降压-升压型开关稳压器，允许使用高度低于 1mm 的纤巧低成本电容器和电感器。该稳压器的内部低 RDS(ON) 开关实现高达 94% 的效率，最大限度延长电池工作时间，参见图 3 以获得详细信息。另外，该稳压器用陶瓷输出电容器可稳定，实现了非常低的输出电压纹波。降压-升压型稳压器可以编程至最低 2.5V 的输出电压，并可用来为微控制器内核或 I/O、存储器、磁盘驱动器或其它逻辑电路供电。为了适合各种应用，可选模式功能允许用户在噪声性能和效率之间取得平衡。有两种模式可用来控制 LTC3566 降压-升压型稳压器的工作。在中等负载到重负载时，恒定频率 PWM 模式组成噪声最低的开关解决方案。在较轻负载时，可以选择突发模式（Burst Mode）工作，以降低静态电流，延长电池工作时间。该稳压器还具有自我和系统保护功能，如限制浪涌电流和在加电时电压过冲的软启动、短路电流保护以及用来降低辐射 EMI 的开关节点转换限制电路。

图 3：LTC3566 降压-升压型稳压器的效率

LTC3566 具有限定为 100mA/500mA/1A 的 USB 兼容可编程电流，同时其电池跟踪（Bat-Track）自适应输出控制实现了高效率电池充电，并降低功耗。独立自主工作简化设计，无需外部微处理器实现电池充电终止。为了节省电池能量，LTC3566 在暂停模式仅消耗 38uA 电流。该充电器与高达 5.5V（7V 绝对最大瞬态值用于增强坚固性）的输入兼容。最后，高度准确的充电电流和浮动电压、片上充电终止功能、通过 NTC 热敏电阻实现的热量调节和温度控制充电降低了电池过充电的机会，并延长了电池寿命。

结论

由电池供电的产品设计师面临如下挑战：需要长电池寿命和电池工作时间、小尺寸、低功耗、USB 兼容性和可方便使用的输入电源以及需要在整个锂离子/聚合物电池工作电压范围内调节输出电压。同时，设计集成度越来越高以节省电路板空间、降低制造成本并提高产品可靠性。凌力尔特公司已经用日益扩大、“富有意义地集成的”电源管理集成电路系列满足了这些需求，这些电源管理集成电路兼有开关模式拓扑电源通路管理器和降压-升压型稳压器，从而使产品设计师的工作轻松了许多。这些新的集成电路能够从 USB 端口抽取更多功率，并自主和无缝地管理不同输入电源和电池之间的电源通路，同时优先向负载供电以提高工作电压裕度并在整个锂离子/聚合物电池电压范围内调节 3.3V 等输出电压。静态电流较低，同时通过电池跟踪自适应输出控制降低了热量、提高了充电效率，以延长电池寿命和电池工作时间。最后，这些集成电路通过使用较少和较纤巧的外部组件简化了设计、缩小了总体解决方案尺寸并实现了更紧凑的设计和更小的设备尺寸，最终将赢得最终产品用户的满意。