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电源通路管理器集成电路提供高压保护

凌力尔特公司 Steve Knoth?? 2008年12月18日 ?? 收藏0

  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。


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高压保护? 电源通路? USB? LTC4098?

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