“绿色”能源是手持式产品的关键所在

Tony Armstrong

产品市场经理

电源产品部

凌力尔特公司

便携式产品的“绿色化”发展方向

由于建设新的发电厂成本十分高昂，因此，不少国家采取了一项所谓的“绿色政策” ，以此来鼓励制造商在其最终产品中运用节能技术。不过，这一同样的原理也可应用在电池供电型手持式产品的设计和开发当中。理由简单而明了。首先，电池所拥有的储能是有限的，最终产品的供电和操作需要使用这些储能。因此，任何功率转换都必需以尽可能高的效率来完成，以最大限度地延长便携式产品的工作时间，这一点是绝对必要的。然而，由于这些产品大多在相当长的时间里处于待机或睡眠模式，因而还需要在一个很宽的负载范围内进行高效功率转换；在许多场合中，该负载范围可能是横跨千倍的负载电流。与此同时，在功率转换和电源管理过程中所使用的任何电源IC都应具有非常低的静态电流，这一点也是很重要的。此项关键特征将最大限度地减小从电池吸收的电流，并延长电池的运行时间。

锂离子电池有其局限性

众所周知，大多数电池供电型手持式产品均采用锂离子电池作为其主要电源。因此，工程师们必需考虑的重要方面之一便是这种电池的外形尺寸和能量容量。自从上个世纪90年代初面世以来，锂离子电池就成为了消费类电池供电型应用中一种居主导地位的电池，并几乎正在成为智能手机、便携式媒体播放器 (PMP)、数码相机 (DSC)、MP3/MP4播放器和便携式导航装置 (PND) 等产品之电源的不二选择。大型便携式应用功能组 (例如：我们在高端多媒体手机中所见到的) 需要更高的电池容量，而日趋成熟的锂离子电池技术已经使这种容量的增加成为可能。

中高档多媒体手机、PMP播放器和DSC通常采用具有1～1.2Ah容量的电池，而迷你型笔记本个人电脑/平板个人电脑则可以使用1.5～2Ah电池。因此，凌力尔特采用专利热调整电路的线性电池充电器产品线成功地解决了由高电流线性稳压器所引起的潜在热问题 (当充电器IC位于器件内部时)。由于电池容量的增加以及人们对快速充电时间需求的继续存在，因此对于保持合理的PCB温度而言，线性热调整将变得日益重要起来。此外，如果需要大于1A的电池充电电流，则凌力尔特为客户还提供了效率接近95%的单片式同步开关电池充电器，从而能够最大限度地减少热设计约束条件。

由于其转换效率有所提升，因此与传统的线性稳压器相比，同步降压型转换器在电池运行时间上有了实质性的改善。这些转换器提供了90%至95%的效率，从而实际上免除了增设任何散热装置的需要。这种效率的提升是以占用额外的电路板空间 (每个通道增加了一个电感器) 为代价的，因此必需尽可能地缩减总体解决方案的占板面积，这一点极为重要。通过把多个通道组合成一个同步降压解决方案，它们均可从单个输入电容器实现运作，从而最大限度地压缩了解决方案的占板面积。凌力尔特推出了一个多输出同步降压型稳压器系列，以提供这些超紧凑、高效率的解决方案。以一种采用单节锂离子电池 (VBATT起始电压为4.2V，并逐渐下降至2.7V) 的应用为例，它需要用于DSP内核、I/O和存储器电源的1.2V、1.5V、1.8V和0.8V电压轨。一个LTC3544 (采用3mm x 3mm QFN封装) 能够利用单个输入电容器来适应所有这些电压要求，从而实现了一款占板面积不到采用4个单输出同步降压型转换器时所需之1/3的解决方案。

凌力尔特将继续发展其同步降压型稳压器系列，以专门满足手持式应用中电源轨数目不断增加的需要。LTC3544是该系列中最新面市的一款器件，它实现了极其紧凑的四路输出降压解决方案，能够从单个输入提供300mA、2 x 200mA和100mA的输出电流，并消除了潜在的噪声干扰问题 (因为全部4个稳压器均被同步至相同的时钟频率)。

对于系统设计师而言，他们必需克服的另一个重大障碍是设备在其处于低功率或待机模式时的功耗，原因是在这些模式中仍然会从电池吸收电流。针对这种情况，自上个世纪90年代中期以来，凌力尔特公司一直在生产兼具高效率转换和低静态电流的电源管理IC。凌力尔特在其许多电源管理IC中都采用了具专利的突发模式 (Burst Mode) 技术。这种方法最大限度地减小了IC本身在待机模式期间所需的电流。在许多场合中，该待机静态电流低至16μA。具低静态电流的产品实例是LTC3548、LTC3410和LTC3801。

针对该问题的一种集成化解决方案

事实是：大多数电池供电型手持式产品都采用专用集成电路 (ASIC或PMIC) 来应对众多的要求，包括电池充电、电源路径控制、提供多个电源电压以及诸如真正的输出断接和准确的USB限流等保护功能。采取这种方法的原因很清楚，即：只需单个器件便可满足其全部的电源管理要求。

不过，这样做也有缺点，首先，ASIC是采用特殊的晶圆生产工艺制造的，因而很难针对所有上述功能来实现其性能的最大化。其次，ASIC的定义和开发会导致订货至交货的时间很长，在如今这个要求简短和动态设计周期的时代里，这一点正变得越来越重要。电源管理ASIC从设计、生产到最终交货花费两年或更长的时间，这种情况屡见不鲜。在这段时间里，某一特定产品的设计要求有可能会发生三次甚至更多次的变更。

凌力尔特采取了一种不同的方法，并开发出了一个新的IC产品线，该产品系列实现了“具意义”的集成，旨在整合电池供电型便携式设备中所有难以实现的功能。大多数电池供电型手持式产品均可从一个AC适配器、一根通用串行总线 (USB) 电缆或单节锂离子/锂聚合物电池来供电；然而，对这些电源之间的电源通路控制进行管理却提出了一项重大的技术挑战。直到最近，设计师们一直试图采取“分立”的方式 (即：采用大量的MOSFET、运算放大器和其他的分立元件) 来执行该功能，但其间遇到了有可能引发重大系统问题的热插拔和大涌入电流等可怕的难题。

在大多数电池供电型手持式产品内部存在着共同的特点和功能，可采用实现了“具意义集成”的PMIC，而不会出现因为采用单一晶圆生产工艺来制造IC所导致的常见性能折衷。凌力尔特近期推出了该门类中的下一代产品LTC3555，它代表了面向这些应用的全新器件性能和功能水平。图1示出了其简化的方框图和原理图。

图1：LTC3555的简化方框图和原理图

LTC3555可对AC适配器、USB电缆和锂离子电池之间的功率通道进行无缝管理，并遵循USB电源标准，所有这些功能都被集成在一个4mm x 5mm QFN封装内。似乎这还不够，它还具有一个可提供高达1.2A充电电流的全功能锂离子锂聚合物电池充电器，以及三个高效率同步降压型转换器 (用于产生大多数USB外设都需要的低电压轨)。此外，LTC3555还提供了一个始终保持导通的25mA低压差线性稳压器，用于给实时时钟 (RTC) 和低功率逻辑电路供电。整个产品可通过一个简单的I2C接口或简单的I/O来控制。而且，当该器件被置于待机模式时，静态电流将小于50μA。开关PowerPath功能的其他好处包括充电时间的缩短、发热量的减少以及从USB端口吸取功率的最大化。

绿色能源乃大势所趋

显然，从全球的角度来看，即使在电池供电型便携式产品中，节能技术的发展势头也日益强劲。许多电源管理和功率转换IC供应商已开始积极主动地迎接这项挑战，他们采用新型设计方法在其产品中于宽负载电流范围内实现高效转换。同时，他们还在IC被置于待机或停机模式时实现了较低的静态电流。

这些特点将使得便携式系统设计师能够优化再充电周期之间的电池运行时间，这就减低了功率的使用量和使用频度。从而有助于为人类营造一个更加清洁的环境。