目前，一些由電池供電的產(chǎn)品——像個(gè)人多媒體播放器、智能電話、便攜式游戲平臺(tái)和GPS導(dǎo)航設(shè)備等都配備了USB接口；并且這些產(chǎn)品還在不斷地通過集成新功能，使其變得更方便和更實(shí)用，從而能夠擠入高端消費(fèi)市場。功能的增加需要采用像鋰電子這類更高容量的電池。用戶期望體積小、功能多、便攜且使用靈活，還有能夠快速且安全地充電，所有這些都為產(chǎn)品設(shè)計(jì)工程師提出了一系列的嚴(yán)苛挑戰(zhàn)。
關(guān)鍵設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)
站在終端用戶的角度，在線性和開關(guān)模式電池充電IC之間存在著一些設(shè)計(jì)折衷。就像LDO那樣，線性電池充電器所占體積小，外接元器件也少(例如，無需使用電感)，但是效率低，可用電能少，并產(chǎn)生較多的熱量。但在成本和空間比效率更重要的一些場合，線性充電IC就比較合適。相反在其它場合，開關(guān)模式則更為合適。可見，對(duì)更高的充電效率、電池充電IC中的更高集成度、更高的空間利用率、以及增加產(chǎn)品的靈活度等方面的各種需求，都為靠電池供電的電子設(shè)備的設(shè)計(jì)帶來巨大壓力。系統(tǒng)設(shè)計(jì)師研發(fā)設(shè)計(jì)時(shí)面臨的挑戰(zhàn)主要包括：
- 自動(dòng)管理多路電源或負(fù)載
- 充電時(shí)使來自USB的功率和效率最高
- 發(fā)熱最少
- 快速充電時(shí)充電電流高
- 在汽車應(yīng)用中能夠以高電壓工作
- 減小電路板和封裝外形
為了應(yīng)對(duì)上述的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)，必須采用全面的解決方案，主要包括：
電源管理——利用PowerPat控制和理想二級(jí)管
目前，絕大多數(shù)由電池供電的電子設(shè)備都采用以下幾種供電方式：墻體適配器，汽車適配器，USB口或鋰電池。然而，在各類輸入電源間的電源通道控制的自動(dòng)管理方面卻存在著巨大的技術(shù)挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)上，設(shè)計(jì)師試圖利用分離的方案，即利用一些場效應(yīng)管、比較器以及一些分離元器件來實(shí)現(xiàn)這一功能，但在解決熱插拔和大浪涌電流方面面臨著巨大的問題，從而引起系統(tǒng)的可靠性問題。不久前，分離的IC解決方案甚至還要求使用幾個(gè)芯片來實(shí)現(xiàn)。而如今，只需要一個(gè)集成電源管理器就能夠簡單又容易地解決這些問題。
電源通道控制允許終端產(chǎn)品即插即用，而不管電池的充電狀態(tài)，或者說即便是電池根本就不在，即所謂的“即時(shí)接通(instant-on)” 模式。一只具有電源通道控制的IC為設(shè)備提供功率，并通過USB接口或一個(gè)墻體電源適配器來為單一單元鋰電池充電。為了在充電電源線尚未斷開的時(shí)候確保充滿電的電池保持不用，IC直接通過USB線為負(fù)載供電，而不從電池吸取功率。一旦電源去掉后，來自電池的電流便通過內(nèi)部的低損耗理想二級(jí)管送到負(fù)載，從而將電壓降和功耗降到最小。
理想二級(jí)管的正向電壓降遠(yuǎn)小于傳統(tǒng)的或肖特基二級(jí)管的正向電壓降，且其反向電流泄漏也比較小。小的正向電壓降將減小功耗和自發(fā)熱，從而延長了電池壽命。
最大化USB的充電功率和效率
使用線性充電器，增加充電電流將增加額外的功耗，或者說增加發(fā)熱。當(dāng)用USB充電時(shí)，充電IC必須將總線電流限制到100mA (500mW)或500mA(2.5W)，具體取決于與主控制器確定的模式。在用線性電源通道系統(tǒng)充電時(shí)，系統(tǒng)負(fù)載可以通過USB口利用接近全部的 2.5W，只要不超過輸入電流的限制。這種情況下，VOUT僅略低于輸出電壓(例如5V)。然而，由于電池電壓可能比5V輸入電壓低得多，大量的功率(VIN與VOUT的電壓差乘以充電電流)將通過線性電池充電器中的調(diào)整元件消耗掉。而開關(guān)電源通道方案則利用了Bat-Track功能。Bat-Track是一種自適應(yīng)的輸出控制，其中的輸入電路使調(diào)節(jié)器輸出電壓自動(dòng)地跟蹤電池電壓。于是，通過保持電池充電器上的電壓盡可能地低，最佳地利用可用的輸入功率，因此極大地改善了電池充電器的調(diào)整元件的效率。
LTC4088將這些高效率的功能集成到一片高密度的3×4mm DFN封裝IC中，并需要最少的外部元件(詳見圖1)。它是一片可用于便攜式USB供電設(shè)備的、自治的高效率開關(guān)電源管理器、理想的二級(jí)管控制器和 1.5A(來自墻體適配器)獨(dú)立的電池充電器。其開關(guān)前端拓?fù)涔δ躊owerPath控制和Bat-Track減緩了空間限制較大的便攜式電子設(shè)備中的熱管理問題，特別是對(duì)于那些需要大容量電池的產(chǎn)品更為有利。
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圖1：LTC4088的典型應(yīng)用電路 |
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圖2：LTC4088的充電電流與電池電壓的關(guān)系 |
LTC4088的開關(guān)模式前端拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)還允許VOUT負(fù)載電流在不超過USB負(fù)載指標(biāo)時(shí)超過從USB口吸取的電流。保守的電源可實(shí)現(xiàn)高達(dá)700mA的電流，從而可實(shí)現(xiàn)USB的快速充電(圖2)。如果電源去掉后，該IC確保系統(tǒng)的應(yīng)用負(fù)載可以從電池獲取功率，而電流流經(jīng)一個(gè)內(nèi)部低損耗180mΩ的理想二級(jí)管，從而將電壓降和功耗降到最小。
高輸入電壓和USB兼容性相結(jié)合
通過接受高輸入電壓源，例如火線/IEEE1394，12V–24V墻體適配器，未經(jīng)調(diào)節(jié)的高壓(>5.5V)墻體適配器，或者是汽車內(nèi)的適配器輸出，可以在家庭或工作場所以外的地方提供快速充電。利用這些電源，適配器電壓和手持設(shè)備中的電池電壓之間的差可能非常大。于是，根據(jù)所需的充電時(shí)間和充電電流，線性充電器將無法處理功耗問題。這就需要具有開關(guān)技術(shù)的IC，在改善效率和減緩熱管理問題的同時(shí)維持快速充電。需要指出的是，線性充電器也能夠?qū)崿F(xiàn)快速充電，可能更適合USB充電，鋰電池或輸入電壓小于5.5V的墻體適配器。不過，高電壓IC還不易受電壓輸入瞬變的影響，進(jìn)而增加了 IC和系統(tǒng)的免疫力和可靠性。
LTC4089包含了所有這些功能(圖3)。該器件為一款自治的線性電源管理器，理想的二級(jí)管和獨(dú)立的高壓、高效率1.2A電池充電器，具有高壓開關(guān)調(diào)節(jié)器前端，與高達(dá)36V(最高40V)的高壓電源兼容，這些電源包括12V墻體適配器，汽車適配器和火線接口。此外，它還接受低壓電源，例如5V適配器和USB。Bat-Track適配輸出控制極大地改善了充電器的效率，電路板上安裝了一個(gè)200mΩ低損耗理想二級(jí)管來將電壓降和功耗降到最小。被封裝在一個(gè)低高度(0.75mm)的3×6mm DFN封裝內(nèi)。
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圖3 ：LTC4089的典型應(yīng)用電路 |
本文小結(jié)
Linear Technology公司的龐大且不斷充實(shí)的電源管理器/電池充電器IC家族，使得產(chǎn)品設(shè)計(jì)師的工作更加容易，其特色是具有很寬的高性能選擇范圍，且范圍從帶充電器的高壓線性電源管理擴(kuò)展到帶充電器的快速充電高效率開關(guān)模式電源管理器。