為了簡化從電池或USB電纜吸取功率的工作，凌力爾特公司提供了多款器件。這些器件可對AC適配器、USB 電纜和鋰離子電池之間的功率流進(jìn)行無縫管理，并維持與USB電源規(guī)范的相符性。當(dāng)電池容量增加時，電池充電器必須通過穩(wěn)定地提升效率來與之保持同步，以最大限度地減少熱問題和充電時間。基于USB的電池充電器必須從USB獲取盡可能多的功率，而且，為了滿足當(dāng)今功率密集型應(yīng)用嚴(yán)格的空間和熱約束條件，這種功率吸取過程必須高效地完成。
LTC3555把一個USB開關(guān)電源管理器和電池充電器與三個同步降壓型穩(wěn)壓器和一個LDO整合在一起，以在一個小外形(4mm x 5mm)封裝中提供一款完整的電源解決方案(圖1)。這款恒定電流、恒定電壓鋰離子/聚合物電池充電器運用了Bat-Track功能，通過產(chǎn)生一個自動跟蹤電池電壓的輸入電壓，以最大限度地提高電池充電器的效率 (見下文)。一個I2C串行接口使系統(tǒng)設(shè)計師擁有了對充電器和DC/DC降壓型穩(wěn)壓器進(jìn)行全面控制的能力，旨在對眾多應(yīng)用中不斷變化的工作模式實現(xiàn)最大的適應(yīng)性。
圖 1：一體化 USB 電源解決方案集成了開關(guān)電源管理器、電池充電器、三個同步降壓型穩(wěn)壓器和 LDO
開關(guān)電源通路控制器最大限度地增加
系統(tǒng)負(fù)載的可用功率 LTC ®3555 在早幾代 USB 電池充電器的基礎(chǔ)上進(jìn)行了 改進(jìn)，增加了一些新的功能。它采用了一種專有開關(guān) 電源管理器，能夠以盡可能高的效率從一個電流受限 的 USB 端口吸取功率，同時保持與平均輸入電流規(guī) 格的相符性。它利用其 Bat-Track 功能最大限度地減 少了線性充電器中的功率損失。
第一代 USB 應(yīng)用直接在 USB 端口和電池之間實現(xiàn)電 流受限的電池充電器，此時由電池電壓來給系統(tǒng)供 電。這被稱為電池饋電系統(tǒng)。在電池饋電系統(tǒng)中， 可用系統(tǒng)功率為 IUSB • VBAT，因為 VBAT 是系統(tǒng)負(fù)載 僅有的可用電壓。當(dāng)電池電壓很低時，幾乎一半的 可用功率將在線性電池充電器元件的內(nèi)部作為熱量 而被消耗掉。
第二代 USB 充電器在 USB 端口和電池之間產(chǎn)生了 一個中間電壓。這種中間總線電壓拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)被稱為PowerPath™系統(tǒng)。在 PowerPath IC 中，於 USB 端口和中間電壓之間布設(shè)了一個電流限制開關(guān)。中間電壓 VOUT 負(fù)責(zé)給線性電池充電器和系統(tǒng)負(fù)載供電。通過采用中間總線電壓拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，使得電池與系統(tǒng)負(fù)載隔離，同時可有效地執(zhí)行充電操作。由於一旦電源被加至電路，中間電壓即可供系統(tǒng)負(fù)載之用 (這與電池的狀態(tài)無關(guān))，因此 PowerPath 系統(tǒng)具有一個額外的優(yōu)點，就是“即時接通”。在 PowerPath 系統(tǒng)中，可以把 USB 端口所提供的 2.5W 可用功率中的更多功率輸送至系統(tǒng)負(fù)載，只要不超過輸入電流限值即可。雖然 PowerPath 系統(tǒng)在電池饋電系統(tǒng)的基礎(chǔ)上有所改進(jìn)，不過，如果電池電壓很低，則仍然可能有大量的功率會在線性電池充電器元件中被損失掉。
LTC3555 是首款面市的第三代 USB PowerPath 充電器 IC。這些 PowerPath 器件從一個符合 USB 規(guī)范的降壓型穩(wěn)壓器產(chǎn)生一個中間總線電壓，在電池電壓范圍內(nèi)，該電壓將被調(diào)節(jié)至一個固定值 (Bat-Track 功能)。已調(diào)中間電壓剛好高至足以允許通過線性充電器進(jìn)行正確的充電操作。通過以這種方式來跟蹤電池電壓，線性電池充電器中的功率損失被減至最低，效率得以提升，而且負(fù)載的可用功率實現(xiàn)了最大化。
圖 2 對比了采用開關(guān)和線性 PowerPath 系統(tǒng)充電器的效率和功率節(jié)省情況。當(dāng)對大電池進(jìn)行充電時，功率節(jié)省的多少將造成一個器件運行在熱限制條件下還是工作於低溫條件下的分別。
圖 2：開關(guān) PowerPath 電池充電器與線性充電器的 效率和功率節(jié)省情況對比。(VBUS = 5V，5x 模式，RCLPROG = 2.94k，RPROG = 1k、在 VBAT = 2.8V 時 的 IBAT = 0.7A)
在單個 IC 中的完整電源解決方案
LTC3555 還包括三個可由用戶來配置的降壓型 DC/DC 轉(zhuǎn)換器，它們能夠分別提供 0.4A、0.4A 和 1A 電流。穩(wěn)壓器 1 具有一個 0.8V 的固定基準(zhǔn)電壓，而穩(wěn)壓器 2 和 3 則可通過 I2C 接口使其基準(zhǔn)電壓在 0.8V 至 0.425V 的范圍內(nèi)改變。所有的轉(zhuǎn)換器均在一個 2.25MHz 的開關(guān)頻率條件下工作，因而允許使用小的無源元件，并在輸出電壓高於 1.8V 的條件下維持高達(dá) 92% 的效率 (見圖 3)。全部三個穩(wěn)壓器都可通過 I2C 端口或 I/O 引腳設(shè)置在脈沖跳躍模式工作、突發(fā)模式 (Burst Mode®) 操作或 LDO 模式工作。在突發(fā)模式操作中，輸出紋波幅度略有增加，且開關(guān)頻率隨負(fù)載電流而變化，旨在提高輕負(fù)載條件下的效率。如果噪聲是一個必需考慮的問題，那麼可以將所有的穩(wěn)壓器均設(shè)定為工作於 LDO 模式或脈沖跳躍模式。該器件還提供了一個始終保持接通的 3.3V 輸出，該輸出能夠提供 25mA 的電流，以滿足諸如實時時鐘或按鈕監(jiān)視器等系統(tǒng)需求。
圖 3：采用突發(fā)模式操作的開關(guān)穩(wěn)壓器 1 和 穩(wěn)壓器 2 的效率
結(jié)論
LTC3555 是一款先進(jìn)且完整的單芯片電源解決方案。由於采用了第三代 PowerPath 電源管理技術(shù)，再加上發(fā)熱量和電池充電時間均有所減少，因而使其非常適合於未來的高密度、多功能電池供電型產(chǎn)品。通過集成三個 I2C 控制、高效率降壓型 DC/DC 轉(zhuǎn)換器，LTC3555 為系統(tǒng)設(shè)計師提供了全面的靈活性以適應(yīng)不斷變化的需要和工作模式。