电源管理芯片IC优化了一流的电路模块

电源管理IC优化了一流的电路模块

对于通过提高多种分立电源IC的集成度来节省PC板级空间的需求是催生PMIC的主要原因。在过去的5～10年时间里，这些SoC型IC已经成为了很普通的产品。然而，它们的外形尺寸相当大，而且对于设计师来说，还存在着“隐性”成本和性能局限。

不过，如今已经有了更加优化的解决方案，如凌力尔特公司开发的新一代PMIC。这些IC集合了“难以完成”的功能电路模块功能，如电源路径管理、高效同步开关稳压器、USB On-the-Go、过压保护、高电压输入和全功能电池充电器等。其小外形、扁平QFN封装和极少的外部组件造就了适合手持式电子设备(特别是那些利用USB电源的设备)的简单、紧凑且具成本效益的解决方案。同时，它们在其他市场空间里同样拥有属于自己的一片天地！
　　
围绕“过度集成化”进行设计
有些PMIC虽然可以节省板级空间，但对设计师而言，其中的很多IC隐性成本高，需要额外的设计时间，并存在性能局限。业界标准的PMIC外形较大，会产生大量的局部热量，且含有许多并非应用所必需的功能，从而增加了复杂性。在很多设计场合中，即使集成是绝对必要的，设计师也别无选择，只能为额外的功能“买单”(即便他们将仅使用芯片全部功能的一部分)。虽然采用多个IC加一个分立组件的方法是业已运用的替代方案，但这种做法会占用较多的板级空间、造成成本上升、增加制造复杂性，并导致材料用量的增多。

减少热量
许多业界标准PMIC都具有多种板载线性稳压器。然而，如果未能利用足够的铜走线、散热器或设计精良的输入/输出电压和输出电流水平来对线性稳压器进行正确的管理，则其将会在PC板上产生大量的局部热量或“热点”。另一方面，当输入/输出差分电压或输出电流很高时，开关稳压器可以提供一种更加有效的降压和电压转换方法。在具有板载低电压微处理器的多功能设备中，这是很常见的。因此，实现用于大多数电压轨的开关模式电源的必要性正在日益增加。此外，线性电池充电器可能是另一个发热源 (取决于输入电压与电池电压之差和充电电流)。原则上，就功耗而言，线性充电器相当于线性稳压器。因此，在同一块芯片上集成LDO和线性充电器有可能产生热问题，需要采取相应的对策来解决。

从单节锂离子电池产生中间电压轨
如今的许多时尚型多功能便携式电子产品仍然需要+3.3V左右的电压轨，如用于给I/O或一个HDD供电。显然，单靠LDO并不足以从单节锂离子电池输入来产生这些系统电压，因为它们可能只进行降压操作。甚至连采用降压型开关稳压器也可能不够。那些利用整个锂离子电池电压范围的应用可能需要一个升降压型稳压器，该稳压器能够有效地提供一个固定的输出电压，而不管输入是高于、低于还是等于该输出。对于那些具有高脉动电流要求的系统来说，情况也是如此——在未接入一个大输入电容器 (用于防止在VIN上产生压降)的时候，降压型稳压器或LDO会失去输出调节作用。

多输入电源的管理
在便携手持式产品中管理功率通量并最大限度地减少发热量是一项重大的设计难题。越来越多的便携式电池供电型产品可以从低电压电源，如5V墙上适配器、一个USB端口或锂离子/锂聚合物电池，以及高电压电源来取电。在对这些输入电源和电池之间的功率通量进行自主管理的同时也要有效地向负载供电，这就产生重大的技术障碍。传统上，在便携手持式产品中管理功率通量并最大限度地减少发热量是一项重大的设计难题。越来越多的便携式电池供电型产品可以从低电压电源，如5V墙上适配器、一个USB端口或锂离子/锂聚合物电池，以及高电压电源来取电。在对这些输入电源和电池之间的功率通量进行自主管理的同时也要有效地向负载供电，这就产生重大的技术障碍。传统上，为了实现该功能，设计师们采取的是分立型方法，即使用少量的MOSFET、运算放大器和其他组件，但会面临热插拔、发热量过大、大浪涌电流以及至负载的大瞬态电压等难题。

从USB高效地吸取功率
USB技术提高了电子设备的便利性。如果能够从USB端口来对设备进行充电，将带来很大的便利，并免除增设一个单独墙上适配器之需。然而，当把USB用于给设备的电池进行充电时，存在着功率限制(最大可用功率为2.5W)。因此，电池充电器必须在不超过终端产品热限度的情况下高效地从USB端口吸取功率。
　　
PowerPath控制
新型PMIC的一个重要的特点是PowerPath控制。这种自动负载优先级处理提供了对多种输入电源之间的功率通量进行自主和无缝管理的能力，并优先向系统负载供电。在传统的电池馈电型充电系统中，用户必须等待，直到存在足以获取系统电源的电池充电和电压电平为止。与此相反，PowerPath控制使得终端产品能够在插上电源后立即运作(而不管电池的充电状态如何)，这通常被称为“即时接通”操作。线性和开关拓扑结构都可以采用PowerPath控制电路。线性PowerPath拓扑结构的优点包括Bat-TrackTM自适应输出控制能力(利用一个外部高电压降压型稳压器来实现)和热性能的改善 (功率输送至系统负载)。开关模式PowerPath技术保持了这些优点，并改善了至负载/系统以及至电池的功率输送效率。它消除了线性电池充电器组件中的功率损失（当电池电压很低和/或输入功率有限时，这一点尤其关键），并使其拥有了卓越的热特性。另一个重要的优点是，在电池电压很低的情况下，它能够从一个标准的USB端口(～2.3W)吸取高达700mA的电池充电电流。表1概要罗列并比较了三种不同的USB充电系统拓扑结构。

集成升降压和升压型稳压器能力
具有中高输出电流的低电压轨 (例如，用于给微处理器内核供电并低至  0.8V的电压轨) 可以高效地从同步降压型稳压器产生。然而，许多时尚型多功能便携式电子产品仍然需要一个+3V或+3.3V的中间电压轨。通过把同步升降压型开关操作能力集成到PMIC之中，可在整个锂离子/锂聚合物电池输入范围内高效地提供3.3V稳压，从而增加了操作裕度。此外，同步升压型稳压器还能够以高于80%的上佳效率来实现至高于锂离子电池电压范围的电压轨“升压”转换。而且，高开关频率减小了外部组件的尺寸，而采用陶瓷电容器则降低了输出纹波。

较长的电池使用寿命和运行时间
能否准确地将锂离子/锂聚合物电池充电至其最终的浮动电压，将对电池的使用寿命产生重要的影响。这是通过选择一个具有严格浮动电压准确度并运用准确充电终止算法的合适电池充电IC来管理的，所有这些将最大限度地延长电池的运行时间，而不会导致电池被过度充电。此外，低系统待机(静态)电流以及利用同步整流实现的高开关稳压器转换效率产生了很小的系统电流消耗，从而进一步地延长了电池的运行时间。在轻负载条件下，突发模式(Burst Mode)操作将自动地减小开关稳压器静态电流(Iq)，以帮助降低器件的电流消耗。

下面，我们将介绍两个具体的实例。

LTC3586 PMIC
LTC3586 PMIC集成了1个开关PowerPath管理器、1个独立型电池充电器、4个高效率同步开关稳压器(1个升降压型、1个升压型和2个降压型稳压器)和1个始终保持接通的LDO，它们被全部整合在一个紧凑、扁平的38引脚4mm×6mm QFN封装中。

图1 LTC3586的简化方框图

为了实现快速充电，LTC3586的开关输入级将可从USB端口获得的2.5W功率几乎全部转换成了充电电流，从而提供了高达700mA(从一个电流限值为500mA的USB电源)或高达1.5A(当采用墙上适配器供电时)的充电电流。LTC3586的升降压型稳压器能够提供高达1A的连续电流，并且非常适合于在整个锂离子电池电压范围内(低至2.7V输入)对一个3.3V输出进行高效稳压。其两个降压型稳压器具有100%的工作占空比，而且各能提供400mA的输出电流，并具有低至0.8V的可调输出电压。升压型稳压器能够提供至少800mA的输出电流，且具有一个高达5V的可编程输出。LTC3586的内部低RDS(ON)开关实现了高达94%的降压和升降压效率，从而最大限度地延长了电池的运行时间。此外，突发模式操作还优化了轻负载条件下的效率，静态电流仅为25μA(对于升降压型稳压器)和35μA(对于每个降压型稳压器)。2.25MHz的高开关频率允许使用纤巧型、低成本的电容器和高度<1mm的电感器，并实现了非常低的输出电压纹波。此外，所有的稳压器均能够在采用陶瓷输出电容器的情况下保持稳定，从而实现了小占板面积，且不会发生热问题。
　　
LTC3576 PMIC具有USB OTG支持能力
LTC3576内置1个具输入过压保护和USB On-The-Go(OTG)功能的双向开关电源管理器、1个独立型电池充电器、3个高效率同步降压型稳压器、1个理想二极管、I2C控制功能和一个始终保持接通的LDO，所有这些都被集成在一个紧凑、扁平的38引脚4mm×6mm QFN封装之中(见图2)。

图2 LTC3576的简化方框图

LTC3576的USB兼容型双向开关稳压器具有100mA和500mA的可编程输入电流限值，以及一个1A的墙上适配器输入电流限值。该IC还能够从电池获取功率，以在不增设任何组件的情况下产生USB OTG应用所需的500mA(在5V)电流，从而使得该器件可以起一个主机的作用。该IC提供了一个过压保护(OVP)控制电路，用于防止其输入因意外施加高达66V的电压而受损。OVP电路能够保护USB端口，即使在IC为USB OTG供电的情况下也不例外。LTC3567利用一个配套使用的凌力尔特高电压开关稳压器提供了Bat-TrackTM控制，以从高电压输入实现高效充电，同时最大限度地减少热耗散，并在USB和较高电压电源之间提供一种无缝切换。
LTC3576的三个集成同步降压型稳压器在采用陶瓷电容器时可实现稳定，具有100%的工作占空比，并能够分别输送1A/400mA/400mA的输出电流，且可调输出电压低至0.8V。内部低RDS(ON)开关实现了高达94%的效率，从而最大限度地延长了电池的运行时间。此外，突发模式操作还优化了轻负载条件下的效率，每个稳压器的静态电流仅为20μA(在停机模式中<1μA)。所有三个降压型开关稳压器均可通过I2C接口对其电压实施“执行中”调节，以实现电压裕度调节或优化微处理器中的性能/功率折衷方案。最后，2.25MHz的高开关频率允许使用纤巧型、低成本的电容器和高度 <1mm的电感器。
　　
各式各样的最终应用
新型PMIC系列已经成为诸如个人媒体播放器(PMP)、个人导航装置(PND)、电子图书阅读器和智能手机等消费类手持式USB供电型产品的极佳选择。然而，由于增加了新的功能块并提高了电压和功率输送能力，使得这些新型PMIC渗透到了其他的市场空间中，如工业便携式产品或便携式数据输入终端将得益于高输入电压能力、以及针对工业系统总线电压的输入电压瞬变的过压保护功能，医疗设备将得益于多种电压轨组合和低静态电流，便携式汽车诊断和个人导航装置(PND)单元可得益于高电压输入能力，以便除USB之外还能从高电压电源高效地对这些单元进行供电。即使诸如视觉系统和战场环境传感器系统等军事应用也将从PMIC的坚固型设计和高电压能力当中获益匪浅。