电源通路治理器集成电路提供高压保护.docx

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1、电源通路治理器集成电路提供高压保护hesp导语：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，由于可以不再需要单独的沟通适配器。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，由于可以不再需要单独的沟通适配器。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，如电压瞬态或者来自沟通发电机的浪涌。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

2、数优点，如可以自主和无缝地治理多个输入电源，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才能和过压保护功能，以处理汽车、Firewire或者未稳压沟通适配器输入。这些电源通路治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和智能等手持式电子产品组成简单、紧凑和经济的解决方案。能承受汽车电源、Firewire端口或者未稳压12V/24V适配器等高压输入电源为在家庭或者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

3、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形式拓扑的集成电路来保持快速充电，同时进步效率并减少热量治理问题。另外，具有高压才能和/或者过压保护的集成电路还不轻易受到输入电压瞬态的损害，进步了集成电路和系统的抗瞬态性和可靠性。治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沟通适配器、USB端口或者锂离子/聚合物电池等以及高压源供电。不过，自主治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

4、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，由于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U

5、SB端口抽取更多功率，以知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，因此进步充电电流似乎是显而易见的选择，但是进步充电电流有两个大的弊端。首先，就线性充电器而言，进步电流会增加功耗，这些功耗转换成了热量，进而将典型的实际“最大功率降至2.1W。其次，充电器必须视主器件协商好的形式，将从5VUSB总线汲取的电流限制为100mA500mW或者500mA2.5W。充电经过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进步产品可靠性，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

6、路板的使用方式，如今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互相堆叠的多个电路板。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：最大限度地进步从USB端口获得的电流可提供2.5W；治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；最大限度进步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。具有高压输入才能和过压保护功能、集成和紧凑的电源通路治理器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可

7、以自主和无缝地治理USB、沟通适配器、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，进而最大限度地进步效率、降低功耗。理想二极管的正向压降远低于常规或者肖特基二极管，因此最大限度地进步了能量传输效率，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，三终端或者“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

8、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“电源通路治理器集成，可高效治理各种输入电源、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者开关拓扑，由于视详细充电要求不同，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，尤其是假如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。而基于开关形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

9、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。稳定的中间电压恰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、进步了效率并最大限度地进步了提供应负载的功率。具有平均输入限流的开关架构最大限度地进步了使用USB电源提供的所有2.5W功率的才能。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。img=500,206cms50hz/files/RemoteFiles/20201225/477683001.jpg/img图1简化的开

10、关电源通路电路4088F01LTC4098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治理器、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，该器件采用超薄0.55mm20引脚3mm4mmQFN封装。就汽车、Firewire或者其它高压应用而言，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，最大限度地进步了电池充电器效率、减小了热损耗，甚至用更高电压电源也可以无缝运作。img=500,289cms50hz/files/RemoteFiles/20201225/47

11、7683002.jpg/img图2LTC4098简化框图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，可防止偶尔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，甚至电池没电或者缺失时也一样。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30m或者更低。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端口汲取的电流，同时符合USB负载标准。由于

12、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。用沟通适配器供电时还有1.5A的可用充电电流。过压保护OVPLTC4098仅用N沟道FET和6.04k电阻这样两个外部组件，就能在VBUS或者WALL意外地加上过大电压时保护自己免受损坏。最高平安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。为了知足USB最大负载规格要求，该开关稳压器

13、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。假如这个组合负载没有让开关电源到达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。假如组合外部负载加上电池充电电流足够大，使得开关电源到达了编程设定的输入限流值，那么电池充电器将严格按照知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，也不会不知足USB性能规格。另外，假如VOUT端的负载电流导致超过从VBUS

14、的编程设定功率，那么将通过理想二极管从电池汲取额外的负载电流，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或者3.6V。这最大限度地进步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0.55mmQFN封装在印刷电路板互相堆叠的空间受限应用中使用有上风。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敏性。另外，该器件具有与更高的0.75mm前一代QFN封装一样的热性能。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。通过汽车适配器或者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、降低制造本钱并进步产品可靠性。凌力尔特公司不断扩大的开关形式拓扑电源通路治理器集成电路系列使产品设计师的工作轻松多了。这些集成电路可以从USB端口抽取更多功率、无缝治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进步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。