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1 引言 對于消費類手持式設備而言,歷史悠久的兩節AA(堿性或鎳氫電池)電源便是其最常用的電池解決方案,尤其是在GPS導航裝置、數碼相機和MP3播放機中。AA電池購買方便、成本較低、而且具有高功率密度。在這些便攜式設備中,有許多都采用了插入式交流適配器,并提供了一根USB總線(用于數據傳輸)作為電池電源的補充。USB總線還可被用來供電。問題是如何在這三種截然不同的電源(兩節AA電池、交流適配器和USB)之間實現無縫切換。LTC3456便是一款適合的解決方案。 LTC3456是一款完整的系統電源IC,可實現AC交流適配器、USB和兩節AA電池之間功率通量的無縫管理,并符合USB電源標準,所有這些功能均集成在一個4mm x 4mm QFN封裝之內(圖1)。該器件生成了兩個單獨的電源軌：一個3.3V(固定)主電源和一個1.8V(可調)內核電源。此外,LTC3456還包含一個全功能USB電源管理器、一個用于給存儲插件供電的熱插拔(Hot Swap)輸出和一個適合用作低電池電量比較器或LDO控制器的獨立增益部件。該器件還生成了一個始終處于運行狀態的VMAX輸出,該輸出適合于為諸如實時時鐘等即使在停機期間也必需處于工作狀態的關鍵部件輸送功率。 圖1 LTC3456是一款采用微型4mm x 4mm封裝的完整系統電源管理IC 2 LTC3456 LTC3456包含四個工作效率高達92%的高效1MHz固定頻率開關穩壓器。圖2示出了LTC3456的一種典型應用。便攜式應用中所使用的大多數處理器都需要雙電源電壓。這些電壓可以是3.3V(用于I/O電路)和1.5V或1.8V(用于處理器內核)。此外,處理器還有可能要求電源以一種特定的順序啟動,以防止發生處理器閉鎖或錯誤起動。通常,內核電源必須在I/O電源之前上升。 圖2 基于LTC3456的完整電源解決方案,包括一個1.8V輸出(用于處理器內核)、一個3.3V輸出(用于I/O)、一個3.3V熱插拔電源(用于存儲插件)和一個VMAX輸出(用于RTC) LTC3456具有用于內核和主輸出的內置電源排序功能。上電時,VINT輸出(一個固定的3.3V電源)率先執行上電操作。它負責向大部分內部電路供電。應對該輸出端上的外部負載大小加以限制。可調范圍為0.8V至1.8V的內核輸出隨后上升,接著是VMAIN輸出。 VMAIN輸出(一個固定的3.3V電源)在內核輸出進入調節狀態之后延遲0.8ms(典型值)上電。VMAIN輸出由VINT輸出通過一個內部0.4Ω(典型值)PMOS開關而產生,并可被用來向I/O電路供電。0.8ms延遲為處理器在外圍電路上電之前完成系統時鐘的穩定和內部寄存器的裝載提供了充足的時間。 LTC3456產生了一個可調范圍為0.8V至1.8V的內核輸出,該輸出適于為新型低電壓處理器(ARM等)供電。LTC3456控制電路允許內核輸出的工作占空比達到100%。當內核輸出由電池來供電時,它提供了低壓降操作,從而延長了電池的使用壽命。當由電池供電時,主轉換器和內核轉換器均提供了突發模式操作(可利用MODE引腳來選擇),因而在輕負載條件下實現了高效率。在采用電池供電的情況下,內核轉換器具有超過92%的效率。當由USB/墻上電源來供電時,突發模式操作被停用。當由USB來供電時,主轉換器實現了高達90%的效率。 LTC3456具有一個適于為閃存卡供電的內置熱插拔輸出。該熱插拔輸出具有短路和反向電壓隔離功能。它允許在系統上進行存儲插件的帶電插拔。它具有一個適合向閃存卡供電的120mA(典型值)內置電流限值。 LTC3456提供了針對主輸出和內核輸出的短路保護功能。它還為所有的輸出(VMAX輸出除外)提供了輸出斷接功能。在停機模式中,內核輸出、主輸出和熱插拔輸出均被放電至地。在VBATT、VINT、VEXT和USB電壓中,VMAX輸出是最高的。該輸出可被用來提供1mA的最大輸出電流。即使在IC處于停機模式的情況下,VMAX輸出也將保持運行狀態,因而適于向實時時鐘等關鍵系統部件供電。 表1 LTC3456 PowerPath工作模式和特點概要 3 PowerPath控制 LTC3456包含一個專有的PowerPath控制電路,可實現系統電源之間的無縫切換(從兩節AA電池至USB/墻上電源,反之亦然)。圖3示出了內部電源通路的簡化方框圖。AC適配器和USB總線通過VEXT引腳向開關穩壓器供電。LTC3456包含一個全功能USB電源管理器,以利用USBHP和SUSPEND引腳的狀態來控制來自USB引腳的功率通量。流經USB引腳的電流被精確地限制為100mA或500mA(視USBHP引腳的狀態而定)。通過把SUSPEND引腳拉至高電平可停用所有的USB功能。 圖3 用于說明內部PowerPath的LTC3456簡化方框圖 當必須提升兩節AA電池電壓(1.8V至3.2V)以生成3.3V輸出、以及必須對USB/墻上電源(4V至5.5V)進行降壓操作以生成相同電壓時,DC-DC轉換將是一項特別具有挑戰性的工作。LTC3456通過BOOST和BUCK2轉換器完成了這項任務。這是生成3.3V電源軌最為有效的方式。當從電池或USB/交流適配器來生成3.3V輸出時,LTC3456實現了高于90%的效率。內核輸出(1.8V)是通過BUCK1(由USB/墻上電源來供電)和BUCK3(由電池來供電)轉換器來生成的。LTC3456的獨特拓撲結構可利用單個電感器來生成1.8V電源軌,從而節省了成本和空間。當從電池來生成1.8V輸出時,它實現了92%以上的效率。表1列出了LTC3456不同的工作模式。 便攜式設備需要實現從電池電源至USB或墻上電源的無縫切換(反之亦然)以確保平穩的系統運作。例如,一位用戶正在一個連接了USB電纜的便攜式MP3播放機上播放音樂。如果USB電纜被猛然從設備上拉脫,則用戶應能夠繼續聆聽音樂,而不會覺察到任何中斷現象。LTC3456通過實現系統電源的無縫切換而使這種愿望成為可能。當SUSPEND引腳被從低電平拉至高電平時,USB電源不可用。主輸出和內核輸出在切換時均呈現出小于?%的總偏差,從而實現了至處理器內核和外圍電路的無縫切換。 4 與微處理器的簡易連接 LTC3456簡化了與微處理器的連接。PWRON、PWRKEY、PBSTAT和/RESET引腳向處理器提供了全部所需的系統信息,并簡化了電源排序。PWRON、PWRKEY和PBSTAT鍵控使IC的有序上電和停機任務得以簡化。LTC3456的數據表包含時序圖,并提供了與其操作有關的詳細信息。 LTC3456還具有上電復位電路(通過 /RESET引腳來使用),該電路在上電和停機期間處于運行狀態。為在上電時把處理器保持在其復位狀態,該上電復位電路是必需的,而且,在所有的系統電源實現穩定之前,它必須阻止處理器起動操作。LTC3456的內置上電復位電路負責監視VINT(3.3V)和內核(0.8V)電壓,并通過 /RESET引腳與處理器相連。在初始上電期間,/RESET引腳被保持于低電平。當主輸出和內核輸出均進入調節狀態時,一個復位延遲定時器將起動。在 /RESET被釋放和處理器被允許退出復位狀態并開始操作之前,提供了一個完整的262ms超時。這262ms超時延遲為處理器對內部寄存器/RAM進行初始化提供了充足的時間。在斷電期間,/RESET 引腳被再次拉至低電平。這將防止微處理器進入任何隨機操作模式。 當采用電池或外部電源來供電時,/RESET電路的工作情況相似。在VCORE進入調節狀態之后,/RESET引腳將在一個262ms的延遲時間里保持低電平。當IC關斷時,VMAIN和VCORE輸出均與輸入電源斷接,并被放電至地。這將防止輸出被固定于一個不確定的邏輯電平狀態而對微處理器的運作產生不利的影響。它還確保輸出在上電期間以一種可預測的方式上升。 5 電壓監視 LTC3456具有一個可被用于低電池電量檢測的片內增益部件,低電池電量跳變點由布設在AIN引腳上的兩個電阻器(圖2)來設定。AIN引腳的標稱電壓為0.8V。AO引腳是一個漏極開路邏輯輸出,用于在AIN引腳電壓降至0.8V以下時吸收電流。也可通過增益部件的配置來驅動一個外部PNP或PMOS晶體管,以生成一個輔助電壓。 此外,LTC3456還具有板載電壓比較器電路,以利用 /EXT_PWR引腳上的一個狀態輸出來檢測USB或墻上電源的接入。/EXT_PWR引腳的漏極開路邏輯輸出能夠吸收高達5mA的電流,故適合于驅動一個外部LED。該板載電壓檢測器連續監視USB電壓和交流適配器電壓的狀態(通過WALLFB引腳)。當USB或墻上電源可用并處于調節狀態時,/EXT_PWR引腳被拉至低電平。 6 便攜式GPS導航裝置電源 當今的便攜式GPS導航裝置采用兩節AA電池或一個交流適配器作為工作電源,并備有一根USB總線(用于數據傳輸)。對電源而言,長電池壽命和小系統尺寸是關鍵要求。GPS導航裝置中所使用的微處理器通常需要至少兩種不同的電壓源：一般是3.3V(用于I/O電路)和1.5V或1.8V(用于處理器內核)。這種導航裝置可能還需要一個2.8V的輔助電源電壓,用于給LCD顯示控制器IC施加偏壓。 圖4示出了一種用于便攜式GPS導航裝置的完整、緊湊而高效的電源。VMAIN(固定3.3V)負責向I/O電路供電。用于處理器內核的電源VCORE被設定為1.8V,并可通過改變反饋電阻器阻值比來調節。3.3V熱插拔輸出負責向閃存卡供電。LTC3456包含一個獨立增益部件(AIN和AO引腳),可被用作一個低電池電量指示器或一個LDO控制器。圖4中的電路示出了被用作一個LDO的增益部件,并由一個外部PNP來從主輸出生成一個2.8V的輔助輸出電壓。該2.8V輔助電源被用于給一個LCD控制器IC供電。LTC3456的VMAX輸出即使在停機期間仍然處于工作狀態,并被用來向一個實時時鐘供電。 圖4 一種用于GPS導航系統、采用兩節AA電池來供電的完整電源。注意,獨立增益部件(AIN和AO引腳)被配置為一個LDO控制器,以生成一個2.8V輔助輸出 7 結語 LTC3456是一款完整的系統電源管理IC,它實現了對一個AC適配器、USB電纜和兩節AA電池電源之間的功率通量的無縫管理。包括一個集成化USB電源管理器、高效DC-DC轉換器、一個熱插拔控制器和一個低電池電量指示器在內的眾多部件均被集成在一個4mm x 4mm QFN封裝之內。外部元件的數目和總系統成本得到了最大限度地削減。簡單性、設計靈活性、高集成度和小外形尺寸使得LTC3456成為許多便攜式USB設備供電方案的理想選擇。 |
