电源通路管理器集成电路提供高压保护

前言 　　
      USB 端口是快速数据传输的首选方法，也正在迅速成为便携式设备电池充电的首选方法，因为可以不再需要单独的交流适配器。不过，用 USB 端口给设备电池充电时存在功率限制。另外，由于便携性需求，越来越需要在家庭之外的场所充电 （例如，在汽车中）。但是汽车电源也有缺点，如电压瞬态或来自交流发电机的浪涌。因此，电池充电器集成电路需要很好地保护，以应对这类严酷的情况。模拟集成电路中的电源通路（PowerPath）充电系统拓扑为系统设计师和最终产品用户带来了无数优点，如能够自主和无缝地管理多个输入电源，为系统负载供电并给电池充电。这种集成电路拓扑除了能减少热量，还可实现较快的充电时间和即时接通工作。
　　这类集成电路的一个新趋势是集成高压能力和过压保护功能，以处理汽车、Firewire 或未稳压交流适配器输入。这些电源通路管理器集成电路采用扁平封装，需要极少的外部组件，可为个人导航器、媒体播放器、数码相机、PDA 和智能电话等手持式电子产品组成简单、紧凑和经济的解决方案。
设计难题
　　能承受汽车电源、Firewire 端口或未稳压 12V/24V 适配器等高压输入电源为在家庭或办公室之外的场所充电提供了方便。例如，有了适配器电源，手持式产品中的适配器电压和电池电压之间的压差可以很大。而视所需充电时间和充电电流的不同，线性充电器也许不能承受这么大的功耗。这种情况通常需要一个具有开关模式拓扑的集成电路来保持快速充电，同时提高效率并减少热量管理问题。另外，具有高压能力和/或过压保护的集成电路还不容易受到输入电压瞬态的损害，提高了集成电路和系统的抗瞬态性和可靠性。
　　管理最终产品中的电源通路是另一个设计难题。今天，很多便携式电池供电电子产品可以由低压源 （交流适配器、USB 端口或锂离子/聚合物电池等） 以及高压源供电。不过，自主管理这些电源和电池之间的电源通路并为负载供电带来了极大的技术挑战。传统上，设计师一直用少量 MOSFET、运算放大器和其它组件来单独实现这一功能，但是一直面临着负载热插拔、负载上有大浪涌电流以及大电压瞬态等难题，这些问题可能引起严重的系统可靠性问题。
　　锂离子和锂聚合物电池是便携式消费类电子产品的首选，因为它们的能量密度相对较高，在给定尺寸和重量限制下，可比其它可用化学材料实现更高的电池容量。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，因此对较高容量电池的需求也增强了，相应地也需要更先进的电池充电器。较大的电池要充满电就需要较高的充电电流或者需要更长的充电时间。另外，在很多情况下，能用 USB 端口给电池充电意味着对用户更方便，但是 USB 兼容性造成了对 USB 电流（最大 500mA）和功率（最大 2.5W）的限制。基于 USB 的电池充电器必须尽可能高效率地从 USB 端口抽取更多功率，以满足今天功率密集型应用严格的热量限制。
　　大多数消费者都希望缩短充电时间，因此提高充电电流似乎是显而易见的选择，但是提高充电电流有两个大的弊端。首先，就线性充电器而言，提高电流会增加功耗，这些功耗转换成了热量，从而将典型的实际“最大”功率降至 2.1W。其次，充电器必须视主器件协商好的模式，将从 5V USB 总线吸取的电流限制为 100mA（500mW）或 500mA（2.5W）。充电过程中浪费的任何功率都直接导致较长的充电时间。需要高效率充电、电池充电器集成电路具有高的功能集成度以及需要节省电路板空间和提高产品可靠性，这些都给由电池供电的电子产品的设计师施加了压力。
　　制造商们也正在改变印刷电路板的使用方式，现在他们不是使用单个多层电路板，而是越来越多地在空间受限设计中使用相互堆叠的多个电路板。先进的封装有助于减少高度/厚度并节省印刷电路板面积，可以实现更高效的堆叠。
　　总之，系统设计师面临的主要难题包括：
　　●最大限度地提高从 USB 端口获得的电流（可提供 2.5W）；
　　●管理多个输入电压源和电池之间的电源通路，同时向负载供电；
　　●保护集成电路免被高压系统瞬态损坏；
　　●最大限度减少热量同时快速充电；
　　●最大限度提高充电效率和延长电池工作时间；
　　●最大限度减小解决方案占板面积和高度。
　　具有高压输入能力和过压保护功能、集成和紧凑的电源通路管理器 IC 简单轻松地解决了这些问题。
一个简单的解决方案
　　具有电源通路控制功能的集成电路能够自主和无缝地管理 USB、交流适配器、电池等不同输入电源之间的电源通路，同时优先向负载供电。为了确保充满电的电池在连接 USB 总线时仍然保持满电量，这类集成电路通过 USB 总线向负载供电而不是从电池抽取功率。一旦电源去掉，电流就通过一个内部低损耗理想二极管从电池流向负载，从而最大限度地提高效率、降低功耗。理想二极管的正向压降远低于常规或肖特基二极管，因此最大限度地提高了能量传输效率，反向电流泄漏也更小。典型值为 20mV 的微小正向压降减少了功率损耗和自热，因此延长了电池工作时间。另外，三终端（或“中间总线”）拓扑去掉了电池与 VOUT 的耦合，允许最终产品一插上电源插头就立即工作，而不管电池的充电状态甚至电池缺失也一样，这通常称作“即时接通”工作。  
　　电池充电器与电源通路控制器和理想二极管器件（“电源通路管理器”）集成，可高效管理各种输入电源、给电池充电、优先向负载供电并降低功耗。电源通路控制电路可以采取线性或开关拓扑，因为视具体充电要求不同，他们对系统而言都有一定的优点。
开关电源通路系统的优点
　　与电池馈送型系统相比，线性电源通路系统的优点是向负载/系统提供功率的效率高，但是在线性电池充电器单元中有功率损耗，尤其是如果电池电压较低（导致输入电压和电池电压之间出现大的压差）时更是这样。而基于开关模式拓扑的电源通路电路通过符合 USB 要求的降压型开关稳压器产生中间总线电压，稳压器稳定在比电池电压高 300mV 的电压上（参见图 1）。这种形式的自适应输出控制被凌力尔特公司称作“电池跟踪（Bat-Track）”。稳定的中间电压刚好高到允许通过内部线性充电器恰当充电。用这种方法跟踪电池电压，最大限度地降低了线性电池充电器中的功率损耗、提高了效率并最大限度地提高了提供给负载的功率。具有平均输入限流的开关架构最大限度地提高了使用 USB 电源提供的所有 2.5W 功率的能力。可选外部 PFET 降低了电池和负载之间理想二极管的阻抗，进一步减少了热损耗。这种架构是使用大电池（>1.5AHr）的系统“必须”采用的。

　　LTC4098—兼具高效率充电和高压保护
　　LTC4098 （图2）是一种自主式高效率电源通路管理器、理想二极管控制器和电池充电器，用于通过 USB 供电的便携式设备，如媒体播放器、数码相机、PDA、个人导航器和智能电话，该器件采用超薄（0.55mm）20 引脚 3mm×4mm QFN 封装。就汽车、Firewire 或其它高压应用而言，LTC4098 用凌力尔特公司的开关稳压器提供电池跟踪控制，工作输入高达 38V（瞬态为 60V），最大限度地提高了电池充电器效率、减小了热损耗，甚至用更高电压电源也可以无缝运作。
　　LTC4098 提供高达 66V 的过压保护（OVP）电路，仅需要一个外部 NFET/电阻组合，可防止偶然的高压情况引起的输入损坏。该集成电路自动降低充电电流可实现快速接通工作，确保一插上电源插头就向系统负载供电，甚至电池没电或缺失时也一样。其片上理想二极管保证总是向 VOUT 提供充足的功率，即使 LTC4098 的两个输入引脚的功率不充足也一样。该集成电路的理想二极管控制器可用来驱动可选 PFET 的栅极，将对电池的阻抗降至 30mΩ 或更低。
　　LTC4098 的全功能单节锂离子/聚合物电池充电器允许负载电流超过从 USB 端口吸取的电流，同时符合 USB 负载规范。因为保存了能量，所以就快速充电而言，该集成电路的高效率开关输入级几乎将 USB 端口提供的所有 2.5W 功率都转换成了可用系统电流，从 USB 端口限制的 500mA 实现了高达 700mA 的电流。用交流适配器供电时还有 1.5A 的可用充电电流。
　　过压保护（OVP）
　　LTC4098 仅用 N 沟道 FET 和 6.04kΩ 电阻这样两个外部组件，就能在 VBUS 或 WALL 意外地加上过大电压时保护自己免受损坏。最高安全过压幅度将由该外部 NMOS 晶体管及其漏极击穿电压决定。
　　电池跟踪开关稳压器的输入限流和高压控制
　　LTC4098从VBUS 到VOUT 的功率传递由 2.25MHz恒定频率降压型开关稳压器控制。为了满足USB最大负载规格要求，该开关稳压器含有一个测量和控制系统，以确保平均输入电流保持低于CLPROG引脚的编程值。这样，VOUT 就可以驱动外部负载和电池充电器的组合。
　　如果这个组合负载没有让开关电源达到编程设定的输入限流值，那么该集成电路的 VOUT将跟踪大约比电池电压高0.3V。通过将电池充电器电压保持在这个低电压值上，最大限度地降低了电池充电器的功率损耗。
　　如果组合外部负载加上电池充电电流足够大，使得开关电源达到了编程设定的输入限流值，那么电池充电器将严格按照满足外部负载所需的量降低充电电流。即使电池充电电流被编程至超过容许的USB 电流，就平均输入电流而言，也不会不满足 USB 性能规格。另外，如果VOUT端的负载电流导致超过从VBUS的编程设定功率，那么将通过理想二极管从电池吸取额外的负载电流，即使电池充电器正在工作也一样。 
　　WALL、/ACPR和VC引脚可连同 LT3480 等外部高压降压型开关稳压器一起使用，以最大限度地减少用较高电压源工作时产生的热量。电池跟踪控制电路将外部开关稳压器的输出电压调节至较高的（BAT + 300mV）或 3.6V。这最大限度地提高了电池充电器的效率，同时在电池深度放电时仍然允许即时接通工作。
　　LTC4098 先进的超薄（典型值为 0.55mm）QFN 封装在印刷电路板相互堆叠的空间受限应用中使用有优势。这种封装可组成“体积”紧凑的解决方案，为系统设计师提供了灵活性。另外，该器件具有与更高的（0.75mm）前一代 QFN 封装相同的热性能。
结语
　　对小尺寸和方便地使用多种输入电源的需求以及对快速充电、低功耗和 USB 兼容性的需求给由电池供电的产品设计师带来了挑战。通过汽车适配器或 Firewire 端口供电正在变得越来越普遍，但缺点是存在可能损坏集成电路的高压瞬态。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。凌力尔特公司不断扩大的开关模式拓扑电源通路管理器集成电路系列使产品设计师的工作轻松多了。
　　这些集成电路能够从 USB 端口抽取更多功率、无缝管理不同输入电源和电池之间的电源通路并优先向负载供电、减少热量、通过电池跟踪自适应输出控制提高效率以及通过使用数目更少和尺寸更小的外部组件简化设计。