从1.8V到USB的多轨电压转换和管理

作者：凌力尔特公司电源产品部高级产品市场工程师 Steve Knoth

背景

除了锂和镍电池，多种移动手持式设备通常由于安全、便利性和成本原因，会采用不可再充电或可再充电的两节 AA 或 AAA 碱性电池供电。这些 AA 和 AAA 电池也用镍氢金属或新的圆柱型锂化学材料制造。很多这些移动设备还通过 USB 和/或交流适配器供电。不过，管理多个进入手持式设备的输入电源通路是一个日益复杂的任务，因为有多个具有排序要求的电源电压、需要最佳效率以及空间非常有限。这些因素已经促进了面向空间受限型电池供电设备的高度集成电源管理 IC (PMIC) 的开发，这类设备的例子包括个人导航设备 (PND)、数码相机 (DSC)、手持式计算机、媒体播放器、超小型录像机和便携式医疗设备。

使用由两节 AA/AAA 电池和一个 5V 交流适配器/USB 端口供电的手持式设备时，最大的难题之一是，能够为主电源轨提供一个固定的 3V 或 3.3V 输出，并为给一个微处理器或 DSP 内核电压以及存储器供电提供两个低压 (1.Xv) 输出。如果该设备用一个 5V 交流适配器/USB 端口供电时，那么只需要降压型 DC/DC 转换。然而，如果该设备由两节碱性电池供电，那么就需要一个降压-升压型 DC/DC 转换器，以提供 3V 或 3.3V 主电源轨，同时还需要降压型 DC/DC 转换器为低压 (1.xV) 轨供电。这是因为，两节 AA 电池 (镍或碱性) 的放电曲线从约 3.25V 开始并下降至约 1.8V。不过，如果使用新的圆柱型锂 AA 和 AAA 电池，这一范围向上移动约 0.3V (高压端移动至约 3.6V)，从而进一步导致需要一个降压-升压型转换器在整个电池放电电压范围内调节 3.0V/3.3V 轨。

此外，自主管理和优化诸如 USB、交流适配器和电池等输入电源之间的选择同时最大限度降低便携式手持产品中产生的热量带来了极大的设计挑战。设计师们传统上一直用 MOSFET 和运算放大器等分立组件来执行这一功能，但是也一直面临着热插拔、产生过多热量、至负载的大浪涌电流和大电压瞬态等问题，所有这些问题对系统可靠性都有负面影响。

减少热量

很多模拟 PMIC 提供多种片上线性稳压器。不过，线性稳压器如果没有用充足的铜走线布线、散热器或良好设计的输入/输出电压和输出电流恰当地管理，就可能在产品中产生局部"热点"。或者，当输入和输出电压之差大和/或如果输出电流大时，开关稳压器提供更高效率的降压方式。它们的使用在今天功能丰富和具有片上低压微处理器的器件中很普遍。结果，为大多数电压轨实现基于开关模式的电源成为必然之事。既然线性电池充电器是一个热源，那么它们也带来热量问题。

由多节 AA/AAA 电池供电型电子设备的系统设计师的关键挑战包括：

• 用两节或 3 节 AA/AAA 外型尺寸 (一次性电池) 的电池为 IC 供电；
• 在整个电池放电电压范围内调节 3V 或 3.3V
• 有效地提供额外的系统电压轨
• 最大限度减小任何作为热量耗散的功率
• 管理多个输入电源之间的电源选择
• 为多个电压轨提供正确的加电排序
• 最大限度减小从电池抽取的备用或无负载电流
• 最大限度减小解决方案占板面积和高度

一个简单的解决方案 —— 具低损耗电源通路控制的 PMIC

凌力尔特公司的 PMIC 具有电源通路 (PowerPath™) 控制和其它最佳集成功能构件，如高效率可编程降压-升压型和降压型开关稳压器，简单且非常容易地解决了这些设计难题。这是因为凌力尔特公司已经采取了不同的 PMIC 开发方法，运用更加严格筛选的集成度提供一个紧凑型解决方案，而且没有任何性能折中。

凌力尔特公司很多 PMIC 的关键功能是电源通路控制。这种自动负载优先处理能够自主和无缝地管理诸如 USB 端口、交流适配器和电池等多个输入电源之间的电源通路，而且在有些情况下 (线性和开关模式) 可以控制向负载的供电。低损耗开关电源通路控制不控制到负载的功率，但是确实比传统工业 PMIC 控制方法有很多优势。输入功率从两个输入电源 (诸如两节 AA 或 AAA 电池或一个 USB/交流适配器电源输入) 中的任意一个馈送到 IC，而且电源通路是自动选择的。输出轨从任意一个使用高效率开关稳压器的输入电压源产生。降压型稳压器有 3 个而不是典型的两个开关 FET。其优点是在输入端去除了一个串联电源控制组件 (降压型稳压器或线性稳压器)，从而提高了效率并降低了产生的热量。从本质上讲，它是一个零损耗或低损耗的开关电源通路。

此外，在传统的电池馈电充电系统中，用户必须等待，直到提供充足的电池