研诺新款IC AAT2601的完整电源解决方案

Abstract: 概要：

便携式和手持式设备设计师一直在为他们已经功能十分丰富的产品增添新的激动人心的功能，这一令人难以置信的朝着前所未有设计复杂度发展的趋势，对硬件和软件的整体系统设计提出了很高的要求。这些设备还必须在所有工作条件下表现出很长的电池寿命，这反过来又对电源分配子系统提出了很高的要求，这类子系统通过提供高度复杂、高度功能化的功率密度解决方案已经在该领域加速了令人瞠目结舌的进步。AnalogicTech公司提供可满足这些非常苛刻要求的一系列完整的和集成化的单片IC解决方案。在本文中，我们将详细讨论其中的一款IC，即AAT2601，并展示它如何为好几种不同应用提供完整电源解决方案。

引言：

AnalogicTech公司可提供范围非常大的电源转换解决方案，它们都是针对便携式和手持式电池供电电子设备而特别设计的。

最新公布的AAT2601是以下便携式应用的整体电源解决方案，如：

•    数码相机
•    GSM或CDMA手机
•    手持式仪器
•    PDA和手持式计算机
•    便携式多媒体播放器

该单片IC解决方案是AnalogicTech整体电源管理IC（TPMIC）产品系列的一个成员，它采用了散热性能更好的5×5×0.8mm小外形36引脚TQFN封装。

这一先进的电源模块单元（PMU）可提供一系列的集成性能和功能，它们有助于优化电源分配性能和PCB板面积。下面是其中一些性能和功能：
•    4.5V到6V的输入电压范围
•    一个电池充电器
    数字化热量调节
    充电电流可编程到1.4A
    充电电流终端匹配编程
    可用作电池预处理的自动涓流充电
    一个用于核心应用的完全集成降压同步转换器，它带有内部补偿可节省应用设计时间和允许更快的上市时间。它采用1.5MHz的开关频率，从而可在保持很低开关损耗和提供93%以上峰值效率的同时，将外部元件尺寸最小化。
•    五个低压降稳压器LDO。所有LDO输出电压可采用I2C接口进行编程。所有LDO提供60dB电源抑制比PSRR，其低噪声运转性能使得它们非常适合为噪声敏感负载提供电源。
•    所有六个电压稳压器的静态电流都很低。在降压转换器和2个LDO工作时，总的无负载电流仅有170μA。

电源系统要求：

所有便携式消费电子应用都依靠某种需要周期性充电的电池进行工作。电池要求一个非常严格的充电方法学，以保证在维持安全工作的同时进行成功的充电。这些设备采用的CPU要求一个稳压的核心电压，它必须具有杰出的瞬态响应和高电源转换效率。各种其它功能要求多个低压降稳压器LDO，来为所有相关的电路提供电源。

详细的模块描述

功能方块图

图1：AAT2601的功能方块图

图1描述了AAT2601 PMU的功能方块图。AAT2601是一个完整的电源管理解决方案。它无缝地集成了一个智能、独立CC/CV（恒流/恒压）、线性模式单节电池充电器、一个降压转换器和五个LDO，以从墙上适配器或一个单节锂离子/锂聚合物电池产生电源。内部负载开关允许LDO稳压器和同步降压DC-DC转换器选择在最佳的电源（AC墙适配器、USB口电源或电池）下工作。

如果系统中只有电池，那么电压稳压器和转换器可直接通过一个100mΩ负载开关从电池供电，此时，充电器进入睡眠模式并仅消耗不到1μA静态电流。

如果系统连接到一个墙适配器，那么电压转换器可直接通过一个500mΩ负载开关从墙适配器供电，电池则与电压转换器输入脱开连接。这允许系统在不管电池充电状态或没有电池的情况下工作。

降压同步转换器

AAT2601含有一个高性能300mA、1.5MHz同步降压转换器。该降压转换器设计用于确保在100A到300mA的整个负载电流谱上具有很高效率性能，峰值效率超过93%。它只需要3个外部电源器件：输入和输出陶瓷电容、以及一个输出指示器。一个带内部补偿的高DC增益差错放大器控制输出。

它可提供杰出的瞬态响应和负载/线路稳压。典型的瞬态响应时间不到20μs。该转换器具有软启动控制性能，以限制浪涌电流和LDO输出端的占空比转换到100%。电源器件的选择既要满足300mA负载电流的要求，又要在整个负载上维持超过88%的效率。

其转换器是一个峰值电流模式降压转换器，内部大带宽环路控制电感峰值电流。电感电流通过用作高端或控制开关的P沟道MOSFET感应出来，它也用于短路和过载保护。一个固定斜率的补偿信号被叠加到感应电流之上，以保持占空比大于50%的应用的稳定性。带输出电容的峰值电流模式环路用作电压编程电流源。

电压差错放大器的输出用来控制电流模式环的必要峰值电感电流，以强制输出一个适用于所有负载和线路情况的恒定输出电压。

电压反馈电阻分压器是内部的，差错放大器参考电压是0.45V。电压环路有一个很高的DC增益，它是专为杰出的DC负载和线路稳压而设计的。内部电压环路补偿位于跨导电压差错放大器的输出端。

降压转换器也具有软启动性能，当输入电压或使能输入最初施加上去时，它可缓慢地增加内部参考电压。它可限制输入端看得到的浪涌电流，并可消除输出电压过冲，从而可提供安全和可靠的性能。

在过载情况下，峰值输入电流是受限制的。随着负载阻抗降低和输出电压快掉到零时，更多的功率在内部消耗掉，并升高设备温度。热保护功能可在内部功耗变得过高时，完全切断转换开关，从而可保护设备免受损坏。结过温门槛是140°C，迟滞温度范围是15°C。

I2C接口

I2C接口内部嵌进了很多性能，如充电器的编程和输出电压设定，凡此种种。

这一器件的其中一个关键性能是，通过I2C接口，输出电压可以在限制之内进行调整，它也可称为动态输出电压调整。这是一个非常重要的性能，它允许在低电池、高温度和电池老化等工作条件下优化系统的动态性能。

电源转换效率

图2：在100A到400mA的负载电流情况下AAT2601的电源转换效率

图中文字：Output Current(mA) 输出电流

Efficiency(%) 效率

效率与负载曲线

降压转换器在感兴趣的所有负载电流上可连续保持很高的效率。在2.7V输入电压下峰值效率超过93%，在4.2V输入电压下峰值效率超过90%。这一高效率允许更长的电池寿命和电池容量的更好利用。高效率和更低的开关损耗允许设备的工作温度更低，而这要求更少的热管理设计和直接导致更高的可靠性。

瞬态响应

•    瞬态负载

 
Figure 3, Load transient response. Load Transient Response at
10mA-100mA; Vbat=3.6V; VOUT = 1.8V; COUT = 4.7F

图3：负载瞬态响应。测试条件为：10mA-100mA; Vbat=3.6V; VOUT = 1.8V; COUT = 4.7F