超低静态电流电源管理IC延长便携应用工作时间

2009年04月14日 15:04    比尔盖
关键词: IC , 便携应用 , 电源管理 , 静态电流
技术背景

  当今便携式电子设备的小型化和高集成度发展趋势要求延长电池工作时间,降低功耗,并且限制其设备内部IC及其相关外围元件占用印制电路板的尺寸。由于电池技术的进步延长了电池工作时间并且减小了最终产品的尺寸,对于加速发展这种趋势一直起到促进作用。可再充电的棱柱形锂离子电池/聚合物锂电池已经将它们用作给中等到高端便携式电子设备提供电源的先进化学电池,从而可提供最合适的外形尺寸、合用的电压范围、电能密度 (容量) 和电池寿命。因此,当人们一旦注意到镍镉 (NiCd)电池的有毒性时,人们正在寻找将新的锂离子电池用于大电流应用的途径 (例如电动工具)。而且新的锂离子化学电池 (例如磷酸锂电池) 正在兴起,它与传统的锂电池/聚合物锂电池相比,它提供较低的可用工作电压范围,较低的串联电阻和较高的安全性。

  最近新推出了一种一次性锂电池 (例如Energizer “e2” 电池),其尺寸与碱性电池一样大。它们不但延长了电池工作时间,而且具有尺寸小巧、使用方便和价格便宜的特点,非常适合那些以前习惯使用碱性电池和镍电池的便携式设备的客户 (例如数码相机和手持GPS)。这些电池超出了可再充电的锂离子电池、聚合物棱柱形电池、碱性AA或AAA电池以及可再充电的镍金属氢化物 (Ni/MH) 电池的范围,从而扩大了便携式电子设备工程师的选择范围。这种电池与其他的不可再充电的碱性电池或镍电池比较,其延长电池寿命的优点要比其初期成本高的缺点更重要。相比之下,可再充电的NiMH电池具有相对低的电能密度,但它是一项成熟的技术,而且成本低、无毒性,所以一直用于许多便携式电子设备之中。可再充电和不可再充电的碱性电池在低端电子设备中一直很流行,它具有很低的自放电和低成本特点以弥补其相当低的电池寿命。

  设计挑战

  毋庸置疑,当今电池供电的便携式电子产品设计师都在接受相当的设计挑战。这些设计师为了适应系统复杂性、电能预算和散热管理不断提高的趋势,势必要求高性能电源管理结构。这样的系统应该在电池工作时间、与多个电源的兼容性、高功率密度、小外形尺寸和高效散热管理之间达到最佳均衡。必须做到精心地选择电池,连接其他电源 (USB、墙上适配器等) 给系统供电,因为电池寿命和电池工作时间显然是重要考虑。

  与此同时,系统中的功能不断增加迫使系统功耗的提高,当设备工作时自然要降低电池的工作时间。对于可再充电的电池,随后的充电和再充电周期会使电池的寿命受到限制,尤其是在再充电频率很高的情况下。在电池供电情况下,电源管理IC的高电池耗电、高静态电流 (IQ、无负载) 和低功率转换效率都会对电池工作时间产生负面影响。因此,在可再充电电池和不可再充电电池两种情况下,设计师为了向最终用户提供长的电池工作时间都必须权衡产品性能、静态电流与工作电流、系统功耗和转换效率。

  上述这一切都将成为过去,这要多谢新推出的低功耗电源管理集成电路 (PMIC),与其他传统的高耗电和高热量PMIC相比,现在的 PMIC 对系统提供了高效电源,而且仅需最少的外围组件、显着减小了尺寸和大幅地提高性能。另外,与笨拙的低性能分立IC解决方案相比,这些新的PMIC可大大简化设计并且缩小解决方案的尺寸。

  简单的解决方案—带超低IQ和高效开关稳压器的PMIC

  在宽负载范围内具有低静态电流和工作电流并且带有高效开关稳压器的IC,有助于在便携式电子设备中保持电池工作时间。凌力尔特公司(Linear) 推出的PMIC带有 PowerPath控制、超低静态电流与待机电流、以及一流的集成功能单元电路 (例如高效可编程同步降压-升压型和降压型开关稳压器) 既简单又轻松地解决了这些设计挑战。这之所以成为可能,因为在 PMIC 开发中采用了不同的方案,使用了较多可选的集成度以提供一个紧凑的解决方案,而无需牺牲性能。

  例如,LTC3554是一款适合锂离子/聚合物电池应用的微功耗多功能PMIC。LTC3554 包括了一个USB兼容的线性PowerPath管理器、一个独立的电池充电器、两个高效同步降压型稳压器和一个按键控制电路,它采用超薄 (0.55mm) 的3mm x 3mm UTQFN封装。当全部输出保持稳压时,可选择的待机模式引脚 (详见图1) 可使电池的损耗电流减小到只有10μA。




图1 LTC3554 在待机模式下的电池损耗电流



  当LTC3554从一个USB 端口或5V墙上适配器提供高达400mA的电池充电电流时,它的PowerPath管理器能自动控制负载的优先顺序,浑然一体地管理多输入电源之间的切换以便向负载加电。输入电流限制是引脚可选的,并且内部设置以满足USB的电源规范 (需外部电阻器)。LTC3554的输入电压允许高达5.5V,为了提高坚固性,其绝对最大瞬态电压为7V。该IC的“即时接通”运作特性确保电池甚至在完全放电的情况下也可对系统供电。它的自主性工作能力简化了设计,从而无需一个外部管理器来终止充电。

  LTC3554包括两个内置的同步降压型稳压器,它们以 100% 占空比工作,并且每个稳压器能够提供高达200mA的输出电流,可调节输出电压低至 0.8V。为了增加灵活性,这两个稳压器可独立控制使能和停用,并且其振荡频率和对应转换速率也是引脚可选的 (1.125MHz 或2.25MHz),从而允许应用电路动态地对效率和EMI性能作出权衡。该IC 的高开关频率特性还允许使用小尺寸低成本电容器和电感器。其内置低 RDS(ON) 开关能够提高效率高达93%,并且使电池工作时间达到最长。另外,突发模式 (Burst Mode) 在轻负载时优化了效率,每个稳压器的静态电流仅25μA (在停机模式下 <1μA),详见图1。另外,该稳压器使用陶瓷电容器时可稳定,从而实现非常低的输出电压纹波。




图2 LTC3554 在突发模式时的电池损耗电流



  在轻负载和空载条件下,LTC3554的降压型稳压器自动地切换到节能迟滞控制算法,它间歇地操纵开关以便使开关损耗最小。这被称为突发模式操作,在该模式中,降压稳压器使电源开关进行足够次数的循环, 以把输出电容器充电至一个略高于稳压点的电压。该降压型稳压器随后进入一种减少静态电流的休眠模式。在这种状态下,功耗可减到最少,而输出电容器提供负载电流。只要输出电压降低到稳压点以下,该降压型稳压器便从休眠模式唤醒,并且再次调整开关直到输出电容器电压再次稍高于稳压点。因此休眠时间取决于负载电流,由于该负载电流决定输出电容器的放电速率。如果负载电流增加超过大约50mA,那么该降压型稳压器要恢复到恒定频率运作。

  当STBY引脚置高电平,允许全部开关稳压器在待机模式下工作。在这种模式下,稳压器保持输出处于稳压状态,而独立的降压型稳压器的静态电流降低到只有 1.5μA。这种模式适合于具有微功耗待机、休眠或存储器“持续运作”模式的应用。每个稳压器的负载能力可降低到5mA。待机模式在负载极轻的情况下使用,此时,即使是突发模式操作的低静态电流也被认为是过大了。

  当两个稳压器其各自的PWR_ON引脚的输入端接低电平时,每个降压型稳压器都被停机。在停机状态下,每个开关稳压器从电源引脚 (BVIN) 只消耗几个 nA 的损耗电流。每个被禁止的稳压器还可在其输出端从其开关引脚对地接一个10kΩ的下拉电阻器。

  LTC3554提供了一个集成按钮接口,该接口使得能够利用单个按钮来完成应用电路的上电和断电操作,并通过PBSTAT输出来发送用户输入信号。初次揿按按钮将对降压型稳压器的上电操作进行排序,并向应用电路供电。后续的按钮揿按将由 PBSTAT 输出端上的一个低电平信号来指示。通过监视PBSTAT信号,应用的微处理器就能够改变操作或按照某个按钮命令来执行断电操作。另外,按钮接口还具有一种 “硬复位”状态,通过揿按按钮达 5 s以上即可达到该状态。硬复位将把两个降压型稳压器全部断电,并将LTC3554置于一种超低电流 (<1μA) 状态,从而节省电池的运行时间 (见图1)。硬复位可用于给应用电路断电,或实现从一种应用微处理器的软件闭锁状态回复到正常状态。

  超低IQ PMIC

  采用不可再充电电池 (例如:碱性电池或Energizer“e2”锂电池) 甚至在终端产品的外部进行充电的电池 (比如:镍电池或可再充电碱性电池) 来给中低端便携式电子产品供电的情况很常见。为了满足此类设备的需要,凌力尔特开发了微功率PMIC —— LTC3101。通常在采用两节AA电池供电的应用中,人们使用一个升压型稳压器来产生3.3V电压轨。然而当采用e2锂电池时,由于电池电压较高,VBAT 会高于 VOUT,因此升压型解决方案要么不起作用,要么效率非常低 (取决于所采用的升压型转换器类型)。不过,由于LTC3101采用一个内部降压-升压型转换器来产生3.3V电压轨,因此没有输入电压限制,并且能够轻而易举地处理 e2 锂电池。总之,降压-升压型转换器的有效性并非仅仅因为它提供了从USB/锂电池/5V 墙上适配器输入获取工作电源的能力,而且还在于必需在采用所有可能的两节AA电池输入时实现高效运作。

  LTC3101“ 始终保持运行”的 VMAX 和 LDO 输出负责为关键的功能电路或附加的外部稳压器供电。内部排序电路和独立的使能引脚提供了灵活的上电和断电选项。此外,该IC的 PowerPath 控制电路还运用一种低损耗 PowerPath 控制拓扑结构在这些多种输入电源之间实现了无缝和自动的功率通量管理。每个开关电源的输入都具有一个额外的开关MOSFET,一个FET连接至BAT输入,而另一个FET则连接至USB输入。这使得该IC能够自动选择其将要使用的输入 (如果USB和电池均存在),并在采用任一种输入电源进行操作的情况下优化效率。

  LTC3101 的降压-升压型稳压器能够连续提供高达800mA的电流 (当输入电压高于3V),并非常适合在1.8V至5.5V的完整输入电压范围内对一个 3.0V 或 3.3V 输出进行高效调节。LTC3101 的两个降压型稳压器均具有 100% 的占空比工作,各能提供高达 350mA 的输出电流,并具有低至 0.6V 的可调输出电压。其内部低 RDS(ON) 开关实现了高达 95% 的降压-升压效率和高达 93% 的降压稳压器效率,从而最大限度地延长了电池的运行时间。此外,突发模式操作还在轻负载条件下优化了效率,总静态电流仅为 38μA (当所有稳压器均被使能) 和 15μA (在待机模式中,这时 LDO 和 MAX 输出处于运行状态);详见图3 和图 4。1.27MHz 的高开关频率允许使用纤巧的低成本电容器和高度 <1mm的电感器。另外,所有的稳压器均在采用陶瓷输出电容器的情况下保持稳定,从而实现了非常低的输出电压纹波。

  当PWM引脚被强制为低电平时,两个降压型稳压器都将在突发模式操作和PWM模式之间自动地切换,即:当负载足够轻时 (低于约 10mA) 工作于突发模式,而在负载较重时则执行PWM模式操作。在压差操作中,有源P沟道开关将处于持续接通状态,旨在最大限度地延长电池的使用寿命,详见图4。




图3 在突发模式操作中LTC3101稳压器的静态电流






图4 在待机模式中LTC3101的总静态电流

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