电源通路管理集成电路的优点

在很多情况下，能够用USB端口给电池充电为用户提供了更大的方便。但是，USB规范对USB电流有一定限制。一个基于USB的电池充电器必须尽可能高效率地从USB端口抽取尽可能多的功率，以满足今天的电源密集型应用在空间和热量方面的严格要求。

管理电源通路是另一个问题。很多由电池供电的便携式电子产品可以用交流适配器、汽车适配器、USB端口或锂离子/聚合物电池供电。不过，自主管理这些电源、负载和电池之间的电源通路带来了巨大的技术挑战。传统上，设计师们一直尝试用少量MOSFET、运算放大器和其他分立组件实现这一功能，但是一直面临着热插拔、大浪涌电流等问题，这些问题可能引起更严重的系统可靠性问题。

便携式消费类电子产品常常采用锂离子电池和锂离子聚合物电池，因为这类电池的能量密度相对较高──与使用其他可用化学材料制成的电池相比。在给定的尺寸和重量限制条件下，它们的容量更大。随着便携式产品变得越来越复杂，对较高容量电池的需求也越来越大了，也就要求配备更先进的电池充电器。大多数消费者希望充电时间较短，因此提高充电电流似乎是可取的。但是，提高充电电流带来了两大问题。首先，就线性充电器而言，电流增大会增加功耗（也就是热量）。其次，根据主控制器协商好的模式，充电器必须将从5V USB总线吸取的电流限制到100mA（500mW）或500mA（2.5W）。这种高效率充电，加之电池充电器集成电路必须实现高水平的功能集成以及节省电路板空间和提高产品可靠性的需求，都给设计由电池供电的电子产品带来了压力。

总之，系统设计师面临的主要挑战如下：

• 最大限度地提高从USB端口（可提供2.5W）获取的电流。
• 管理输入电压源、电池和负载之间的电源通路。
• 最大限度地减少热量。
• 最大限度地提高效率。
• 减小占板面积和高度。

集成式电源管理器集成电路可以简单轻松地解决这些问题。

电源通路控制与理想二极管

电源通路控制功能能够自主和无缝地管理各种不同输入源之间的电源通路，如USB、交流适配器和电池之间的电源通路，并向负载供电。电源通路控制允许最终产品接电后立即工作，而不必考虑电池的充电状态，这称作“即时接通”工作。一个具有电源通路控制功能的器件既为自身供电，又用USB总线或交流适配器电源为单节锂离子/聚合物电池充电。为了确保一个满充电电池在连接总线时保持满电量，具有电源通路控制功能的集成电路通过USB总线向负载输送功率，而不是从电池抽取功率。一旦电源被去掉，电流就通过一个内部低损耗理想二极管从电池流向负载，从而最大限度地降低了压降和功耗。

理想二极管的正向压降远低于普通二极管或肖特基二极管的正向压降，理想二极管的反向电流泄漏也可以更小。微小的正向压降减少了功耗和自热，延长了电池寿命（见图1）。

图1 简化的电源通路控制电路

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，可高效管理多种输入电源，为电池充电，向负载供电并降低功耗，所有这一切都是在一个外形尺寸极小的集成电路中实现的。电源通路控制电路可以采用线性或开关拓扑，这两种拓扑对系统而言都有各自的优点。后面将评介这两种架构，而较传统的线性“充电器馈送型”系统将作为性能比较的基础来介绍。

线性充电器馈送型系统

第一代USB系统直接在USB端口和电池之间插入限流电池充电器，由电池为系统供电。在这种“电池馈送型”系统中，可用系统功率可以表示为IUSB×VBAT，因为VBAT是系统负载唯一可用的电压（见图2）。输入电流约等于充电电流，因此无须附加输入限流。系统负载直接连接到电池上，不需要理想二极管。所受到的一些限制包括：低效率；从USB吸取的电流限制到500mA；电池没电或缺失（以及电池电压低）时，没有系统电源；将近一半的可用功率损失在线性电池充电器单元内。



图2 简化的“电池馈送型”控制电路



线性电源通路系统

第二代USB充电系统在USB端口和电池之间采用了中间电压。这种中间总线电压拓扑称为电源通路系统。在电源通路集成电路中，USB端口和中间电压VOUT之间放置了一个限流开关。VOUT为线性电池充电器和系统负载供电。这种系统的优点是，电池与系统负载之间被隔断了，因此一有机会就可以进行充电（见图3）。该电源通路系统还实现了“即时接通”工作，因为电源一加到电路上，中间电压就可用于系统负载。这允许最终产品一插电就立即工作，而不论电池的充电状态如何。在线性电源通路系统中，只要未超过输入电流限制，那么USB端口提供的2.5W功率的大部分就可由系统负载获得。因此，与电池馈送型系统相比，线性电源通路系统具有极大的优点。但是，仍有很多功率损失在线性电池充电器单元中，尤其是电池电压较低时（输入电压和电池电压之间产生大的电压差）更是这样。注意，就个别的交流适配器（或高压）输入通路而言，可能会做些调节，就以较高效率工作而言，一个可选外部PFET可以降低理想二极管的阻抗。


图3 简化的线性电源通路电路