引言

电源管理集成电路(PMIC)的出现主要是因为需要通过进一步集成多个电源IC的功能来节省PCB空间，这些电源IC包括低压差稳压器、开关稳压器、接口电路，在某些情况下甚至包括电池充电器。经过一段相对较短的时间，这些“片上系统(SoC)”型IC已经变成寻常之物了。不过，购买者仍要当心，虽然某些PMIC可以节省电路板空间，但是对于设计师而言，大多数这类IC会带来“隐藏”的成本和性能限制。传统的PMIC外形尺寸相对较大、没有标准接口、局部产生大量热，还包含许多并非必需的功能，因此增加了设计复杂性。在很多情况下，如果集成是完全有必要的，那么即使设计师只会用到整个芯片的一部分，他们也只能为这些额外的功能承担费用。到现在为止，一种替代方案是使用多个IC加上一个分立元件，这种方案会占用更多电路板空间，增加成本，而且会提高制造复杂性和材料成本。

不过，有一个更优化的解决方案可以克服这些问题。凌力尔特公司(Linear Technology)开发出的新一代PMIC具有深远意义，它集成了电池充电器、电源通路管理和高效开关稳压器等许多难以实现的功能模块，同时提高了性能水平。此外，基于开关模式的PowerPath(电源通路)充电系统拓扑现在已经包含在这些PMIC中，这为终端产品带来了许多好处，例如能够自主和无缝地管理各种不同的输入电源和电池，同时提高充电效率、延长电池工作时间并实现即时接通操作。凌力尔特公司具有PowerPath控制功能的PMIC包括LTC3557和LTC3555，其中LTC3557是单片锂离子/聚合物线性PowerPath管理器，集成了3个降压型稳压器和一个“始终保持接通”的LDO；LTC3555是一个高效开关模式PMIC管理器，集成了3个降压型稳压器和一个LDO。小尺寸、扁平QFN封装和最少的外部组件使得它们可以为手持式电子产品(尤其是那些采用USB电源的产品)提供简单、紧凑和经济的解决方案。

关键设计挑战

高端便携式电子产品一直受限于电路板空间，同时，由于更高级的功能需要更大的功率，电池容量也在不断提高。USB充电正变得越来越普遍。对系统电压轨(微处理器/FPGA/DSP内核、I/O、存储电路、媒体处理器、无线/移动广播接收器、硬盘驱动器等等)的需求也越来越多。这些便携式产品的性能需求包括：高效率、低输出电压和中到高输出电流、电池充电速度快、小尺寸以及最少的外部组件。

USB技术提升了电子产品的便携性能。以个人媒体播放器(PMP)为例，可下载媒体内容的爆炸性增长已导致需要将这些数据从PC传送到便携式手持设备，而USB是快速数据传送的首选途径。能够用同一个USB端口给设备充电同样也带来了便利，这样就无需单独的墙式适配器了。不过，利用USB给设备电池充电时有功率限制(最大2.5W)。在很多情况下，能通过USB连接给电池充电对用户而言意味着更方便，但这对USB电流有限制(最大500mA)。因此，一个电池充电器必须能够高效地从USB端口汲取功率，同时不超过目前功率密集型应用的热限制。

管理产品中的功率流是另一个问题。现今由电池供电的许多便携式电子产品可以由墙式适配器、汽车适配器、FireWire/IEEE-1394、USB端口或锂离子/聚合物电池供电。不过，自主管理这些不同电源、系统负载和电池之间的功率流带来了极大的技术挑战。过去，设计师们一直试着用少量MOSFET、运算放大器和其它分立元件来实现这一功能，但他们始终面临着伴随热插拔、大浪涌电流和负载上高瞬态电压的大量问题，这可能会引起严重的系统可靠性问题。不过更近些时候，即使是分立IC解决方案也需要用几个芯片来实现一个实际的解决方案。

锂离子和锂离子聚合物电池都是便携式消费电子产品的首选，因为它们具有相对较高的能量密度，在给定尺寸和重量限制下，它们能够比其它可用化学材料提供更大的容量。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，对更高容量电池的需求也在增长，伴随而来的是对更先进、更高充电电流的电池充电器的需求。大容量电池需要更高的充电电流或更长的充电时间。不过，大多数消费者都希望缩短充电时间，因此可以通过线性或开关型PowerPath系统有效提高充电电流。

总而言之，PMIC系统设计师所面临的主要挑战如下：管理多个输入电源、电池和负载之间的功率流；尽可能地减小热量；尽可能地提高效率(即为大容量电池充电)；尽可能地提高来自USB端口的电流(可提供2.5W)；尽可能地减小解决方案的占板面积和高度。

具有PowerPath管理功能的PMIC

一个具有PowerPath管理功能的有效集成的PMIC可以简单、轻松地解决以上问题。凌力尔特公司采用了一种不同的方法来进行PMIC开发，所采用的集成度既可以提供紧凑的解决方案，又没有任何性能损失。这种集成度使其比业界典型的大型PMIC要小，从而提供了更小、更紧凑和更美观的解决方案，同时PMIC包含了许多难以实现的电源管理功能，如支持PowerPath控制的电池快速充电器、高效开关稳压器和“始终保持接通”的LDO。这种方法被用来集成关键电源管理功能，以实现新的性能水平和尺寸更小的总体解决方案。凌力尔特公司还在设计中采用了“模块化”方法，利用可互换的电路块，通过在一个由高性能宏单元组成的“选项板”中进行选择，实现更短的开发周期和更快的上市时间。最后，还为手持式便携产品客户提供了一个紧凑的薄型DC/DC解决方案，因为在这类应用中电路板资源非常珍贵。这类设计常常还有高度限制。不过，紧凑(4×5mm占板面积或更小)和薄型(0.75mm)QFN封装解决了这些问题。

这些PMIC的一个关键功能是PowerPath控制。PowerPath控制能够自主和无缝地管理多个输入电源(如USB端口、墙式适配器和电池)之间的功率流，同时优先向系统负载供电。在传统的电池馈送型充电系统中，用户必须等到电池充分充电以及电压水平达到系统电压时，系统才能工作。与之相反，PowerPath控制功能允许终端产品插上电源插头后便可立即工作，而不用考虑电池的充电状态(甚至在没有电池时也一样)，这被称为“即时接通”操作。线性和开关拓扑中都可以采用电源通路控制电路，这会给系统带来许多好处。

表1：线性PowerPath系统的优点和局限性。

图1：简化的PowerPath电路。

LTC3557/-1 PMIC包含一个线性开关PowerPath管理器和电池充电器，以及3个同步降压型稳压器和一个LDO，采用小型28引脚(4×4mm)QFN封装，可提供完整的电源解决方案(参见图2)。

图2：LTC3557/-1的简化模块图。

LTC3557可以控制一个高压降压型稳压器，用高压电源实现高效电池跟踪(Bat-Track)充电和PowerPath控制，从而最大限度地降低功耗。这款IC的PowerPath管理器可无缝管理多个输入电源之间的转换，并向负载供电，而进行快速充电时，线性电池充电器可用墙式适配器电源提供高达1.5A的充电电流，或用USB端口提供高达500mA的充电电流。LTC3557的3个集成式同步降压型稳压器以100%占空比工作，它们能分别提供600/400/400mA的输出电流，具有低至0.8V的可调输出电压。这款器件还可提供始终导通的3.3V LDO输出，该输出能够为实时时钟或按钮监视器等系统需求提供25mA电流。

图3：简化的开关型PowerPath电路。

开关型PowerPath系统

最新的第三代USB充电系统采用基于开关模式的PowerPath拓扑。这允许通过一个带USB接口的降压型开关稳压器提供中间总线电压，这个开关稳压器的输出电压被调整为一个高于电池电压的固定值(参见图3)。凌力尔特公司将这种自适应输出控制功能称为“电池跟踪”(Bat-Track)。利用Bat-Track功能，调整后的中间电压刚好足够通过线性充电器进行正确充电。不过，用这种方法跟踪电池电压可以最大限度地降低线性电池充电器中损耗的功率，提高效率并尽可能提高系统负载的可用功率。具有平均输入限流功能的开关架构最大限度地提高了使用来自USB电源的全部2.5W功率的能力。可选外部PFET降低了电池和负载之间理想二极管的阻抗，进一步减少了热耗散。这种架构是采用大容量(>1.5AHr)电池的系统所必需的。与线性PowerPath系统类似，开关型PowerPath系统可以实现“即时接通”操作。表2概括了开关模式PowerPath系统的优点和局限性。

表2：开关型PowerPath系统的优点和局限性。

LTC3555 PMIC集成了一个USB开关型PowerPath管理器和电池充电器，以及3个同步降压型稳压器和一个 LDO，采用小型28引脚(4×5mm)QFN封装，可提供完整的电源解决方案(参见图4)。

图4：LTC3555的简化模块图。

恒流、恒压锂离子/聚合物充电器利用Bat-Track功能，通过产生可自动跟踪电池电压的输入电压来尽可能地提高电池充电器的效率。I²C串行接口为系统设计师提供了控制充电器和降压型转换器的途径，以便最终能够与各种应用中不断变化的工作模式相适应。LTC3555集成的3个用户可配置降压DC/DC转换器能够提供1A、0.4A和0.4A的输出电流，以及低至0.8V的输出电压，效率高达92%，同时这款IC的低静态电流特性更延长了电池工作时间。与采用独立稳压器的解决方案相比，单一的通用开关频率最大限度地减少了串扰和电源噪声。该器件还提供一个始终保持接通的3.3V LDO输出，从而能够为实时时钟或按钮监视器等系统需求提供25mA的电流。

本文小结

对于便携式产品的电源需求，系统设计师现在有了新的选择。凌力尔特公司用新一代紧凑型PMIC替代分立组件或传统的大型PMIC，这类器件集成了关键的电源管理功能，可实现更高的性能和更小的总体解决方案。这一不断成长、基于线性和开关型PowerPath管理器的紧凑型PMIC产品系列使设计工程师的工作变得轻松许多。这些IC能够从USB端口汲取更多功率，无缝管理输入电源、电池和负载之间的电源通路，减少热量，通过Bat-Track自适应输出控制功能提高效率，以及利用较少的外部组件简化设计。最后，它们还为产品的最终用户提供了许多好处，包括利用USB端口充电所带来的便利性和便携性、在电池没电或缺失情况下即时为系统供电、电池工作时间更长以及充电时间更短。

作者：Steve Knoth

产品市场工程师

凌力尔特公司