超低静态电流电源管理IC延长便携应用工作时间

技术背景

当今便携式电子设备的小型化和高集成度发展趋势要求延长电池工作时间，降低功耗，并且限制其设备内部IC及其相关外围元件占用印制电路板的尺寸。由于电池技术的进步延长了电池工作时间并且减小了最终产品的尺寸，对于加速发展这种趋势一直起到促进作用。可再充电的棱柱形锂离子电池/聚合物锂电池已经将它们用作给中等到高端便携式电子设备提供电源的先进化学电池，从而可提供最合适的外形尺寸、合用的电压范围、电能密度 (容量) 和电池寿命。因此，当人们一旦注意到镍镉 (NiCd)电池的有毒性时，人们正在寻找将新的锂离子电池用于大电流应用的途径 (例如电动工具)。而且新的锂离子化学电池 (例如磷酸锂电池) 正在兴起，它与传统的锂电池/聚合物锂电池相比，它提供较低的可用工作电压范围，较低的串联电阻和较高的安全性。

最近新推出了一种一次性锂电池 (例如Energizer "e2" 电池)，其尺寸与碱性电池一样大。它们不但延长了电池工作时间，而且具有尺寸小巧、使用方便和价格便宜的特点，非常适合那些以前习惯使用碱性电池和镍电池的便携式设备的客户 (例如数码相机和手持GPS)。这些电池超出了可再充电的锂离子电池、聚合物棱柱形电池、碱性AA或AAA电池以及可再充电的镍金属氢化物 (Ni/MH) 电池的范围，从而扩大了便携式电子设备工程师的选择范围。这种电池与其他的不可再充电的碱性电池或镍电池比较，其延长电池寿命的优点要比其初期成本高的缺点更重要。相比之下，可再充电的NiMH电池具有相对低的电能密度，但它是一项成熟的技术，而且成本低、无毒性，所以一直用于许多便携式电子设备之中。可再充电和不可再充电的碱性电池在低端电子设备中一直很流行，它具有很低的自放电和低成本特点以弥补其相当低的电池寿命。

设计挑战

毋庸置疑，当今电池供电的便携式电子产品设计师都在接受相当的设计挑战。这些设计师为了适应系统复杂性、电能预算和散热管理不断提高的趋势，势必要求高性能电源管理结构。这样的系统应该在电池工作时间、与多个电源的兼容性、高功率密度、小外形尺寸和高效散热管理之间达到最佳均衡。必须做到精心地选择电池，连接其他电源 (USB、墙上适配器等) 给系统供电，因为电池寿命和电池工作时间显然是重要考虑。

与此同时，系统中的功能不断增加迫使系统功耗的提高，当设备工作时自然要降低电池的工作时间。对于可再充电的电池，随后的充电和再充电周期会使电池的寿命受到限制，尤其是在再充电频率很高的情况下。在电池供电情况下，电源管理IC的高电池耗电、高静态电流 (IQ、无负载) 和低功率转换效率都会对电池工作时间产生负面影响。因此，在可再充电电池和不可再充电电池两种情况下，设计师为了向最终用户提供长的电池工作时间都必须权衡产品性能、静态电流与工作电流、系统功耗和转换效率。

上述这一切都将成为过去，这要多谢新推出的低功耗电源管理集成电路 (PMIC)，与其他传统的高耗电和高热量PMIC相比，现在的 PMIC 对系统提供了高效电源，而且仅需最少的外围组件、显着减小了尺寸和大幅地提高性能。另外，与笨拙的低性能分立IC解决方案相比，这些新的PMIC可大大简化设计并且缩小解决方案的尺寸。

简单的解决方案—带超低IQ和高效开关稳压器的PMIC

在宽负载范围内具有低静态电流和工作电流并且带有高效开关稳压器的IC，有助于在便携式电子设备中保持电池工作时间。凌力尔特公司(Linear) 推出的PMIC带有 PowerPath控制、超低静态电流与待机电流、以及一流的集成功能单元电路 (例如高效可编程同步降压-升压型和降压型开关稳压器) 既简单又轻松地解决了这些设计挑战。这之所以成为可能，因为在 PMIC 开发中采用了不同的方案，使用了较多可选的集成度以提供一个紧凑的解决方案，而无需牺牲性能。

例如，LTC3554是一款适合锂离子/聚合物电池应用的微功耗多功能PMIC。LTC3554 包括了一个USB兼容的线性PowerPath管理器、一个独立的电池充电器、两个高效同步降压型稳压器和一个按键控制电路，它采用超薄 (0.55mm) 的3mm x 3mm UTQFN封装。当全部输出保持稳压时，可选择的待机模式引脚 (详见图1) 可使电池的损耗电流减小到只有10μA。

图1 LTC3554 在待机模式下的电池损耗电流

当LTC3554从一个USB 端口或5V墙上适配器提供高达400mA的电池充电电流时，它的PowerPath管理器能自动控制负载的优先顺序，浑然一体地管理多输入电源之间的切换以便向负载加电。输入电流限制是引脚可选的，并且内部设置以满足USB的电源规范 (需外部电阻器)。LTC3554的输入电压允许高达5.5V，为了提高坚固性，其绝对最大瞬态电压为7V。该IC的"即时接通"运作特性确保电池甚至在完全放电的情况下也可对系统供电。它的自主性工作能力简化了设计，从而无需一个外部管理器来终止充电。

LTC3554包括两个内置的同步降压型稳压器，它们以 100% 占空比工作，并且每个稳压器能够提供高达200mA的输出电流，可调节输出电压低至 0.8V。为了增加灵活性，这两个稳压器可独立控制使能和停用，并且其振荡频率和对应转换速率也是引脚可选的 (1.125MHz 或2.25MHz)，从而允许应用电路动态地对效率和EMI性能作出权衡。该IC 的高开关频率特性还允许使用小尺寸低成本电容器和电感器。其内置低 RDS(ON) 开关能够提高效率高达93%，并且使电池工作时间达到最长。另外，突发模式 (Burst Mode) 在轻负载时优化了效率，每个稳压器的静态电流仅25μA (在停机模式下 <1μA)，详见图1。另外，该稳压器使用陶瓷电容器时可稳定，从而实现非常低的输出电压纹波。

图2 LTC3554 在突发模式时的电池损耗电流

在轻负载和空载条件下，LTC3554的降压型稳压器自动地切换到节能迟滞控制算法，它间歇地操纵开关以便使开关损耗最小。这被称为突发模式操作，在该模式中，降压稳压器使电源开关进行足够次数的循环， 以把输出电容器充电至一个略高于稳压点的电压。该降压型稳压器随后进入一种减少静态电流的休眠模式。在这种状态下，功耗可减到最少，而输出电容器提供负载电流。只要输出电压降低到稳压点以下，该降压型稳压器便从休眠模式唤醒，并且再次调整开关直到输出电容器电压再次稍高于稳压点。因此休眠时间取决于负载电流，由于该负载电流决定输出电容器的放电速率。如果负载电流增加超过大约50mA，那么该降压型稳压器要恢复到恒定频率运作。

当STBY引脚置高电平，允许全部开关稳压器在待机模式下工作。在这种模式下，稳压器保持输出处于稳压状态，而独立的降压型稳压器的静态电流降低到只有 1.5μA。这种模式适合于具有微功耗待机、休眠或存储器"持续运作"模式的应用。每个稳压器的负载能力可降低到5mA。待机模式在负载极轻的情况下使用，此时，即使是突发模式操作的低静态电流也被认为是过大了。

作者：Steve Knoth 凌力尔特高级产品市场工程师   来源：电子产品世界