前言 　　 USB 端口是快速數(shù)據(jù)傳輸?shù)氖走x方法，也正在迅速成為便攜式設(shè)備電池充電的首選方法，因?yàn)榭梢圆辉傩枰獑为?dú)的交流適配器。不過(guò)，用 USB 端口給設(shè)備電池充電時(shí)存在功率限制。另外，由于便攜性需求，越來(lái)越需要在家庭之外的場(chǎng)所充電 （例如，在汽車中）。但是汽車電源也有缺點(diǎn)，如電壓瞬態(tài)或來(lái)自交流發(fā)電機(jī)的浪涌。因此，電池充電器集成電路需要很好地保護(hù)，以應(yīng)對(duì)這類嚴(yán)酷的情況。模擬集成電路中的電源通路（PowerPath）充電系統(tǒng)拓?fù)錇橄到y(tǒng)設(shè)計(jì)師和最終產(chǎn)品用戶帶來(lái)了無(wú)數(shù)優(yōu)點(diǎn)，如能夠自主和無(wú)縫地管理多個(gè)輸入電源，為系統(tǒng)負(fù)載供電并給電池充電。這種集成電路拓?fù)涑四軠p少熱量，還可實(shí)現(xiàn)較快的充電時(shí)間和即時(shí)接通工作。 　　這類集成電路的一個(gè)新趨勢(shì)是集成高壓能力和過(guò)壓保護(hù)功能，以處理汽車、Firewire 或未穩(wěn)壓交流適配器輸入。這些電源通路管理器集成電路采用扁平封裝，需要極少的外部組件，可為個(gè)人導(dǎo)航器、媒體播放器、數(shù)碼相機(jī)、PDA 和智能電話等手持式電子產(chǎn)品組成簡(jiǎn)單、緊湊和經(jīng)濟(jì)的解決方案。 設(shè)計(jì)難題 　　能承受汽車電源、Firewire 端口或未穩(wěn)壓 12V/24V 適配器等高壓輸入電源為在家庭或辦公室之外的場(chǎng)所充電提供了方便。例如，有了適配器電源，手持式產(chǎn)品中的適配器電壓和電池電壓之間的壓差可以很大。而視所需充電時(shí)間和充電電流的不同，線性充電器也許不能承受這么大的功耗。這種情況通常需要一個(gè)具有開(kāi)關(guān)模式拓?fù)涞募呻娐穪?lái)保持快速充電，同時(shí)提高效率并減少熱量管理問(wèn)題。另外，具有高壓能力和/或過(guò)壓保護(hù)的集成電路還不容易受到輸入電壓瞬態(tài)的損害，提高了集成電路和系統(tǒng)的抗瞬態(tài)性和可靠性。 　　管理最終產(chǎn)品中的電源通路是另一個(gè)設(shè)計(jì)難題。今天，很多便攜式電池供電電子產(chǎn)品可以由低壓源 （交流適配器、USB 端口或鋰離子/聚合物電池等） 以及高壓源供電。不過(guò)，自主管理這些電源和電池之間的電源通路并為負(fù)載供電帶來(lái)了極大的技術(shù)挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)上，設(shè)計(jì)師一直用少量 MOSFET、運(yùn)算放大器和其它組件來(lái)單獨(dú)實(shí)現(xiàn)這一功能，但是一直面臨著負(fù)載熱插拔、負(fù)載上有大浪涌電流以及大電壓瞬態(tài)等難題，這些問(wèn)題可能引起嚴(yán)重的系統(tǒng)可靠性問(wèn)題。 　　鋰離子和鋰聚合物電池是便攜式消費(fèi)類電子產(chǎn)品的首選，因?yàn)樗鼈兊哪芰棵芏认鄬?duì)較高，在給定尺寸和重量限制下，可比其它可用化學(xué)材料實(shí)現(xiàn)更高的電池容量。隨著便攜式產(chǎn)品變得越來(lái)越復(fù)雜，它們消耗的功率也越來(lái)越多，因此對(duì)較高容量電池的需求也增強(qiáng)了，相應(yīng)地也需要更先進(jìn)的電池充電器。較大的電池要充滿電就需要較高的充電電流或者需要更長(zhǎng)的充電時(shí)間。另外，在很多情況下，能用 USB 端口給電池充電意味著對(duì)用戶更方便，但是 USB 兼容性造成了對(duì) USB 電流（最大 500mA）和功率（最大 2.5W）的限制。基于 USB 的電池充電器必須盡可能高效率地從 USB 端口抽取更多功率，以滿足今天功率密集型應(yīng)用嚴(yán)格的熱量限制。 　　大多數(shù)消費(fèi)者都希望縮短充電時(shí)間，因此提高充電電流似乎是顯而易見(jiàn)的選擇，但是提高充電電流有兩個(gè)大的弊端。首先，就線性充電器而言，提高電流會(huì)增加功耗，這些功耗轉(zhuǎn)換成了熱量，從而將典型的實(shí)際“最大”功率降至 2.1W。其次，充電器必須視主器件協(xié)商好的模式，將從 5V USB 總線吸取的電流限制為 100mA（500mW）或 500mA（2.5W）。充電過(guò)程中浪費(fèi)的任何功率都直接導(dǎo)致較長(zhǎng)的充電時(shí)間。需要高效率充電、電池充電器集成電路具有高的功能集成度以及需要節(jié)省電路板空間和提高產(chǎn)品可靠性，這些都給由電池供電的電子產(chǎn)品的設(shè)計(jì)師施加了壓力。 　　制造商們也正在改變印刷電路板的使用方式，現(xiàn)在他們不是使用單個(gè)多層電路板，而是越來(lái)越多地在空間受限設(shè)計(jì)中使用相互堆疊的多個(gè)電路板。先進(jìn)的封裝有助于減少高度/厚度并節(jié)省印刷電路板面積，可以實(shí)現(xiàn)更高效的堆疊。 　　總之，系統(tǒng)設(shè)計(jì)師面臨的主要難題包括： 　　●最大限度地提高從 USB 端口獲得的電流（可提供 2.5W）； 　　●管理多個(gè)輸入電壓源和電池之間的電源通路，同時(shí)向負(fù)載供電； 　　●保護(hù)集成電路免被高壓系統(tǒng)瞬態(tài)損壞； 　　●最大限度減少熱量同時(shí)快速充電； 　　●最大限度提高充電效率和延長(zhǎng)電池工作時(shí)間； 　　●最大限度減小解決方案占板面積和高度。 　　具有高壓輸入能力和過(guò)壓保護(hù)功能、集成和緊湊的電源通路管理器 IC 簡(jiǎn)單輕松地解決了這些問(wèn)題。 一個(gè)簡(jiǎn)單的解決方案 　　具有電源通路控制功能的集成電路能夠自主和無(wú)縫地管理 USB、交流適配器、電池等不同輸入電源之間的電源通路，同時(shí)優(yōu)先向負(fù)載供電。為了確保充滿電的電池在連接 USB 總線時(shí)仍然保持滿電量，這類集成電路通過(guò) USB 總線向負(fù)載供電而不是從電池抽取功率。一旦電源去掉，電流就通過(guò)一個(gè)內(nèi)部低損耗理想二極管從電池流向負(fù)載，從而最大限度地提高效率、降低功耗。理想二極管的正向壓降遠(yuǎn)低于常規(guī)或肖特基二極管，因此最大限度地提高了能量傳輸效率，反向電流泄漏也更小。典型值為 20mV 的微小正向壓降減少了功率損耗和自熱，因此延長(zhǎng)了電池工作時(shí)間。另外，三終端（或“中間總線”）拓?fù)淙サ袅穗姵嘏c VOUT 的耦合，允許最終產(chǎn)品一插上電源插頭就立即工作，而不管電池的充電狀態(tài)甚至電池缺失也一樣，這通常稱作“即時(shí)接通”工作。 　　電池充電器與電源通路控制器和理想二極管器件（“電源通路管理器”）集成，可高效管理各種輸入電源、給電池充電、優(yōu)先向負(fù)載供電并降低功耗。電源通路控制電路可以采取線性或開(kāi)關(guān)拓?fù)?，因?yàn)橐暰唧w充電要求不同，他們對(duì)系統(tǒng)而言都有一定的優(yōu)點(diǎn)。 開(kāi)關(guān)電源通路系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn) 　　與電池饋送型系統(tǒng)相比，線性電源通路系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是向負(fù)載/系統(tǒng)提供功率的效率高，但是在線性電池充電器單元中有功率損耗，尤其是如果電池電壓較低（導(dǎo)致輸入電壓和電池電壓之間出現(xiàn)大的壓差）時(shí)更是這樣。而基于開(kāi)關(guān)模式拓?fù)涞碾娫赐冯娐吠ㄟ^(guò)符合 USB 要求的降壓型開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器產(chǎn)生中間總線電壓，穩(wěn)壓器穩(wěn)定在比電池電壓高 300mV 的電壓上（參見(jiàn)圖 1）。這種形式的自適應(yīng)輸出控制被凌力爾特公司稱作“電池跟蹤（Bat-Track）”。穩(wěn)定的中間電壓剛好高到允許通過(guò)內(nèi)部線性充電器恰當(dāng)充電。用這種方法跟蹤電池電壓，最大限度地降低了線性電池充電器中的功率損耗、提高了效率并最大限度地提高了提供給負(fù)載的功率。具有平均輸入限流的開(kāi)關(guān)架構(gòu)最大限度地提高了使用 USB 電源提供的所有 2.5W 功率的能力?？蛇x外部 PFET 降低了電池和負(fù)載之間理想二極管的阻抗，進(jìn)一步減少了熱損耗。這種架構(gòu)是使用大電池（>1.5AHr）的系統(tǒng)“必須”采用的。 　　LTC4098—兼具高效率充電和高壓保護(hù) 　　LTC4098 （圖2）是一種自主式高效率電源通路管理器、理想二極管控制器和電池充電器，用于通過(guò) USB 供電的便攜式設(shè)備，如媒體播放器、數(shù)碼相機(jī)、PDA、個(gè)人導(dǎo)航器和智能電話，該器件采用超?。?.55mm）20 引腳 3mm×4mm QFN 封裝。就汽車、Firewire 或其它高壓應(yīng)用而言，LTC4098 用凌力爾特公司的開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器提供電池跟蹤控制，工作輸入高達(dá) 38V（瞬態(tài)為 60V），最大限度地提高了電池充電器效率、減小了熱損耗，甚至用更高電壓電源也可以無(wú)縫運(yùn)作。 　　LTC4098 提供高達(dá) 66V 的過(guò)壓保護(hù)（OVP）電路，僅需要一個(gè)外部 NFET/電阻組合，可防止偶然的高壓情況引起的輸入損壞。該集成電路自動(dòng)降低充電電流可實(shí)現(xiàn)快速接通工作，確保一插上電源插頭就向系統(tǒng)負(fù)載供電，甚至電池沒(méi)電或缺失時(shí)也一樣。其片上理想二極管保證總是向 VOUT 提供充足的功率，即使 LTC4098 的兩個(gè)輸入引腳的功率不充足也一樣。該集成電路的理想二極管控制器可用來(lái)驅(qū)動(dòng)可選 PFET 的柵極，將對(duì)電池的阻抗降至 30mΩ 或更低。 　　LTC4098 的全功能單節(jié)鋰離子/聚合物電池充電器允許負(fù)載電流超過(guò)從 USB 端口吸取的電流，同時(shí)符合 USB 負(fù)載規(guī)范。因?yàn)楸４媪四芰?，所以就快速充電而言，該集成電路的高效率開(kāi)關(guān)輸入級(jí)幾乎將 USB 端口提供的所有 2.5W 功率都轉(zhuǎn)換成了可用系統(tǒng)電流，從 USB 端口限制的 500mA 實(shí)現(xiàn)了高達(dá) 700mA 的電流。用交流適配器供電時(shí)還有 1.5A 的可用充電電流。 　　過(guò)壓保護(hù)（OVP） 　　LTC4098 僅用 N 溝道 FET 和 6.04kΩ 電阻這樣兩個(gè)外部組件，就能在 VBUS 或 WALL 意外地加上過(guò)大電壓時(shí)保護(hù)自己免受損壞。最高安全過(guò)壓幅度將由該外部 NMOS 晶體管及其漏極擊穿電壓決定。 　　電池跟蹤開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器的輸入限流和高壓控制 　　LTC4098從VBUS 到VOUT 的功率傳遞由 2.25MHz恒定頻率降壓型開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器控制。為了滿足USB最大負(fù)載規(guī)格要求，該開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器含有一個(gè)測(cè)量和控制系統(tǒng)，以確保平均輸入電流保持低于CLPROG引腳的編程值。這樣，VOUT 就可以驅(qū)動(dòng)外部負(fù)載和電池充電器的組合。 　　如果這個(gè)組合負(fù)載沒(méi)有讓開(kāi)關(guān)電源達(dá)到編程設(shè)定的輸入限流值，那么該集成電路的 VOUT將跟蹤大約比電池電壓高0.3V。通過(guò)將電池充電器電壓保持在這個(gè)低電壓值上，最大限度地降低了電池充電器的功率損耗。 　　如果組合外部負(fù)載加上電池充電電流足夠大，使得開(kāi)關(guān)電源達(dá)到了編程設(shè)定的輸入限流值，那么電池充電器將嚴(yán)格按照滿足外部負(fù)載所需的量降低充電電流。即使電池充電電流被編程至超過(guò)容許的USB 電流，就平均輸入電流而言，也不會(huì)不滿足 USB 性能規(guī)格。另外，如果VOUT端的負(fù)載電流導(dǎo)致超過(guò)從VBUS的編程設(shè)定功率，那么將通過(guò)理想二極管從電池吸取額外的負(fù)載電流，即使電池充電器正在工作也一樣。 　　WALL、/ACPR和VC引腳可連同 LT3480 等外部高壓降壓型開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器一起使用，以最大限度地減少用較高電壓源工作時(shí)產(chǎn)生的熱量。電池跟蹤控制電路將外部開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器的輸出電壓調(diào)節(jié)至較高的（BAT + 300mV）或 3.6V。這最大限度地提高了電池充電器的效率，同時(shí)在電池深度放電時(shí)仍然允許即時(shí)接通工作。 　　LTC4098 先進(jìn)的超?。ǖ湫椭禐?0.55mm）QFN 封裝在印刷電路板相互堆疊的空間受限應(yīng)用中使用有優(yōu)勢(shì)。這種封裝可組成“體積”緊湊的解決方案，為系統(tǒng)設(shè)計(jì)師提供了靈活性。另外，該器件具有與更高的（0.75mm）前一代 QFN 封裝相同的熱性能。 結(jié)語(yǔ) 　　對(duì)小尺寸和方便地使用多種輸入電源的需求以及對(duì)快速充電、低功耗和 USB 兼容性的需求給由電池供電的產(chǎn)品設(shè)計(jì)師帶來(lái)了挑戰(zhàn)。通過(guò)汽車適配器或 Firewire 端口供電正在變得越來(lái)越普遍，但缺點(diǎn)是存在可能損壞集成電路的高壓瞬態(tài)。同時(shí)，設(shè)計(jì)集成度越來(lái)越高，以節(jié)省電路板空間、降低制造成本并提高產(chǎn)品可靠性。凌力爾特公司不斷擴(kuò)大的開(kāi)關(guān)模式拓?fù)潆娫赐饭芾砥骷呻娐废盗惺巩a(chǎn)品設(shè)計(jì)師的工作輕松多了。 　　這些集成電路能夠從 USB 端口抽取更多功率、無(wú)縫管理不同輸入電源和電池之間的電源通路并優(yōu)先向負(fù)載供電、減少熱量、通過(guò)電池跟蹤自適應(yīng)輸出控制提高效率以及通過(guò)使用數(shù)目更少和尺寸更小的外部組件簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)。