完整的2節(jié)AA/USB電源管理器解決方案

消費(fèi)類(lèi)手持設(shè)備最受歡迎的電池解決方案之一是古老的雙芯AA（堿性或鎳氫）源，尤其是在GPS導(dǎo)航儀，數(shù)碼相機(jī)和MP3播放器中。AA電池現(xiàn)成，成本相對(duì)較低，功率密度高。許多相同的便攜式設(shè)備通過(guò)插入式墻上適配器補(bǔ)充電池電量，并提供USB總線（用于數(shù)據(jù)傳輸）。USB 總線也可用于供電。問(wèn)題在于如何在這三種不同類(lèi)型的電源之間無(wú)縫切換：2 節(jié) AA、壁式和 USB。解決方案是 LTC3456。

LTC?3456 是一款完整的系統(tǒng)電源 IC，可無(wú)縫管理交流墻上適配器、USB 和 2-AA 電池之間的功率流，同時(shí)符合 USB 電源標(biāo)準(zhǔn) — 全部采用 4mm × 4mm QFN 封裝（圖 1）。該器件產(chǎn)生兩個(gè)獨(dú)立的電源軌：一個(gè) 3.3V （固定） 主電源和一個(gè) 1.8V （可調(diào)） 內(nèi)核電源。此外，LTC3456 還包含一個(gè)功能齊全的 USB 電源管理器、一個(gè)用于為存儲(chǔ)卡供電的熱插拔輸出和一個(gè)適合用作低電池電量比較器或 LDO 控制器的非專(zhuān)用增益模塊。該器件還生成一個(gè)始終處于活動(dòng)狀態(tài)的 V.MAX輸出，適用于為實(shí)時(shí)時(shí)鐘等關(guān)鍵模塊供電，即使在關(guān)斷期間也需要保持活動(dòng)狀態(tài)。

圖1.LTC?3456 是一款完整的系統(tǒng)電源管理 IC，采用纖巧型 4mm×4mm 封裝。

關(guān)于 LTC3456

LTC3456 內(nèi)置四個(gè)高效率 1MHz 固定頻率開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器，其工作效率高達(dá) 92%。圖 2 示出了一款典型的 LTC3456 應(yīng)用。便攜式應(yīng)用中使用的大多數(shù)處理器都需要雙電源電壓。這些電壓對(duì)于 I/O 電路可以是 3.3V，對(duì)于處理器內(nèi)核可以是 1.5V 或 1.8V。此外，處理器可能要求電源按特定順序啟動(dòng)，以防止處理器閂鎖或啟動(dòng)不當(dāng)。通常，內(nèi)核電源必須在I/O電源之前出現(xiàn)。

圖2.基于 LTC3456 的完整電源解決方案，包括一個(gè)用于處理器內(nèi)核的 1.8V 輸出、一個(gè)用于 I/O 的 3.3V 輸出、一個(gè)用于存儲(chǔ)卡的 3.3V 熱插拔電源和一個(gè) V.MAXRTC 的輸出。這種設(shè)計(jì)使用所有陶瓷電容器，零件數(shù)量最少。

LTC3456 具有內(nèi)置的電源排序功能，用于內(nèi)核和主輸出。上電時(shí)，V國(guó)際輸出，一個(gè)固定的3.3V電源，是第一個(gè)上電的電源。它為大多數(shù)內(nèi)部電路供電。應(yīng)限制此輸出端的外部負(fù)載量 （有關(guān)詳細(xì)信息，請(qǐng)參閱 LTC3456 的產(chǎn)品手冊(cè)）。內(nèi)核輸出可在0.8V至1.8V范圍內(nèi)調(diào)節(jié)，接下來(lái)是V主要輸出。五世主要輸出采用固定 3.3V 電源，在內(nèi)核輸出進(jìn)入穩(wěn)壓狀態(tài)后，上電延遲為 0.8ms （典型值）。五世主要輸出由 V 生成國(guó)際通過(guò)內(nèi)部 0.4Ω （典型值） PMOS 開(kāi)關(guān)輸出，可用于為 I/O 電路供電。0.8ms的延遲為處理器提供了足夠的時(shí)間，以便在外圍電路上電之前穩(wěn)定系統(tǒng)時(shí)鐘并加載內(nèi)部寄存器。

LTC3456 產(chǎn)生一個(gè)內(nèi)核輸出，可在 0.8V 至 1.8V 范圍內(nèi)調(diào)節(jié)，適合于為新的低電壓處理器 （ARM 和其他處理器） 供電。LTC3456 控制方案允許內(nèi)核輸出采用 100% 占空比操作。當(dāng)內(nèi)核輸出由電池供電時(shí)，它提供低壓差操作，從而延長(zhǎng)電池壽命。當(dāng)由電池供電時(shí)，主轉(zhuǎn)換器和內(nèi)核轉(zhuǎn)換器均提供突發(fā)模式操作（可選擇MODE引腳），從而在輕負(fù)載下實(shí)現(xiàn)高效率，如圖3所示。由電池供電時(shí)，Core 轉(zhuǎn)換器的效率超過(guò) 92%。當(dāng)由 USB/墻上電源供電時(shí)，突發(fā)模式操作被禁用。圖 4 顯示了由 USB 供電時(shí)的系統(tǒng)效率。主轉(zhuǎn)換器在由 USB 供電時(shí)可實(shí)現(xiàn)高達(dá) 90% 的效率。

圖3.圖2電路的內(nèi)核轉(zhuǎn)換器效率LTC3456 由電池供電。顯示了PWM和突發(fā)模式操作的效率。

圖4.圖2電路的內(nèi)核和主轉(zhuǎn)換器效率。LTC3456 由 USB 供電，USB 電流限值設(shè)定為 500mA （USBHP = 高）。

LTC3456 具有一個(gè)適合于為閃存卡供電的內(nèi)置熱插拔輸出。熱插拔輸出具有短路和反向電壓阻斷功能。它允許將存儲(chǔ)卡熱插拔到系統(tǒng)中和從系統(tǒng)中取出。它具有內(nèi)置的120mA（典型值）電流限制，適合為閃存卡供電。

LTC3456 具有針對(duì)主輸出和內(nèi)核輸出的短路保護(hù)功能。它還為所有輸出提供輸出斷開(kāi)，但 V 除外.MAX輸出。內(nèi)核、主和熱插拔輸出均在停機(jī)時(shí)放電至地。五世.MAX輸出是 V 中的最大值巴特， V國(guó)際，V內(nèi)線和 USB 電壓。該輸出可用于提供最大 1mA 的輸出電流。五世.MAX即使IC處于關(guān)斷狀態(tài)，輸出也保持活動(dòng)狀態(tài)，適合為關(guān)鍵系統(tǒng)模塊（如實(shí)時(shí)時(shí)鐘）供電。

電源路徑控制

LTC3456 包含一個(gè)專(zhuān)有的 PowerPath 控制方案，該方案可將系統(tǒng)電源從一個(gè) 2AA 電池?zé)o縫切換到 USB/墻上電源，反之亦然。圖5顯示了內(nèi)部電源路徑的簡(jiǎn)化框圖。交流適配器和 USB 總線通過(guò) V 向開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器供電內(nèi)線針。LTC3456 包含一個(gè)功能齊全的 USB 電源管理器，用于通過(guò) USBHP 和 SUSPEND 引腳的狀態(tài)來(lái)控制來(lái)自 USB 引腳的電源流。通過(guò)USB引腳的電流被精確限制為100mA或500mA，具體取決于USBHP引腳的狀態(tài)。所有 USB 功能都可以通過(guò)將 SUSPEND 引腳拉高來(lái)禁用。

圖5.LTC3456的簡(jiǎn)化框圖顯示了內(nèi)部電源路徑。

當(dāng)必須升壓 2 AA 電池電壓（1.8V 至 3.2V）以產(chǎn)生 3.3V 輸出，并且必須降壓 USB/墻壁電源（4V 至 5.5V）以產(chǎn)生相同的電壓時(shí)，DC-DC 轉(zhuǎn)換是一項(xiàng)特別具有挑戰(zhàn)性的任務(wù)。LTC3456 通過(guò)升壓型和降壓型轉(zhuǎn)換器完成此任務(wù)。這是產(chǎn)生2.3V電源軌的最有效方法。LTC3 在從電池或 USB/墻上適配器產(chǎn)生 3456.90V 輸出時(shí)實(shí)現(xiàn)了高于 3% 的效率。內(nèi)核輸出 （3.1V） 通過(guò) BUCK8（USB/墻上供電）和 BUCK1（電池供電）轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生。LTC3 的獨(dú)特拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)通過(guò)單個(gè)電感器產(chǎn)生 3456.1V 電源軌，從而節(jié)省了成本和空間。當(dāng)從電池產(chǎn)生8.92V輸出時(shí)，它的效率大于1%。表 8 總結(jié)了 LTC3456 的各種工作模式。

便攜式設(shè)備需要從電池電源無(wú)縫切換到USB或墻壁電源，反之亦然，以確保系統(tǒng)平穩(wěn)運(yùn)行。例如，用戶(hù)在連接了 USB 電纜的便攜式 MP3 播放器上播放音樂(lè)。如果USB電纜突然從設(shè)備上拔出，用戶(hù)應(yīng)該能夠繼續(xù)聽(tīng)音樂(lè)而不會(huì)受到任何干擾。LTC3456 實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)電源的無(wú)縫切換。圖6顯示了圖2電路的USB和2-AA電池電源切換波形。當(dāng)暫停引腳從低到高時(shí)，USB 電源不可用。主輸出和內(nèi)核輸出在切換時(shí)的總偏差均小于 ±2%，從而實(shí)現(xiàn)與處理器內(nèi)核和外圍電路無(wú)縫切換。

一個(gè)。內(nèi)核輸出瞬態(tài)波形。

b.主要輸出瞬態(tài)波形。

圖6.圖2電路的USB和2AA電池電源切換波形。當(dāng)暫停引腳調(diào)高時(shí)，USB 電源斷開(kāi)。主輸出和內(nèi)核輸出在切換時(shí)的總偏差均小于±2%。

與微處理器輕松接口

LTC3456 簡(jiǎn)化了與微處理器接口的任務(wù)。PWRON、PWRKEY、PBSTAT 和 RESET 引腳為處理器提供所有必需的系統(tǒng)信息，并簡(jiǎn)化電源排序。PWRON、PWRKEY 和 PBSTAT 按鍵簡(jiǎn)化了有序上電和關(guān)斷 IC 的任務(wù)。數(shù)據(jù)表包含時(shí)序圖，并提供有關(guān)其操作的詳細(xì)信息。

LTC3456 還包含上電復(fù)位電路 （通過(guò)引腳 RERESET 訪問(wèn)），該電路在上電和停機(jī)期間均處于活動(dòng)狀態(tài)。上電復(fù)位需要使處理器在上電時(shí)保持其復(fù)位狀態(tài)，并且必須保持處理器開(kāi)始運(yùn)行，直到所有系統(tǒng)電源都穩(wěn)定下來(lái)。LTC3456 的內(nèi)置上電復(fù)位電路可監(jiān)視兩個(gè) V國(guó)際（3.3V） 和內(nèi)核 （1.8V） 電壓，并通過(guò) RESET 引腳與處理器接口。RESET引腳在初始上電期間保持低電平。當(dāng)主輸出和內(nèi)核輸出均進(jìn)入調(diào)節(jié)狀態(tài)時(shí)，復(fù)位延遲定時(shí)器被激活。在釋放 RESET 之前有整整 262 毫秒的超時(shí)時(shí)間，并且允許處理器退出復(fù)位并開(kāi)始運(yùn)行。262ms 的超時(shí)延遲為處理器提供了足夠的時(shí)間來(lái)初始化內(nèi)部寄存器/RAM。在斷電期間，RESET引腳再次被拉低。這可以防止微處理器進(jìn)入任何隨機(jī)操作模式。

圖7顯示了圖2電路在電池供電模式下的上電和關(guān)斷波形。當(dāng)電池或外部供電時(shí)，RESET電路的工作方式類(lèi)似。RESET引腳保持低電平，在V之后延遲262ms核心進(jìn)入監(jiān)管。當(dāng)IC關(guān)斷時(shí)，兩個(gè)V主要和 V核心輸出與輸入電源斷開(kāi)并放電至地。這可以防止輸出卡在不確定的邏輯電平狀態(tài)，并對(duì)微處理器的操作產(chǎn)生不利影響。它還確保輸出在上電期間以可預(yù)測(cè)的方式上升。

圖7.圖2電路的上電和關(guān)斷波形兩個(gè) V主要和 V核心關(guān)斷期間輸出放電至地。上電復(fù)位 （RESET） 保持低電平，延遲 V 后 262ms核心進(jìn)入監(jiān)管。

電壓監(jiān)控

LTC3456 具有一個(gè)片內(nèi)增益模塊，可用于低電池電量檢測(cè)，低電池轉(zhuǎn)換變點(diǎn)由 AIN 引腳上的兩個(gè)電阻器 （圖 2） 設(shè)定。AIN的標(biāo)稱(chēng)電壓為0.8V。AO 引腳是一個(gè)漏極開(kāi)路邏輯輸出，每當(dāng)引腳 AIN 上的電壓降至 0.8V 以下時(shí)，它就會(huì)吸收電流。增益模塊還可以配置為驅(qū)動(dòng)外部PNP或PMOS晶體管以產(chǎn)生輔助電壓。

此外，LTC3456 還具有用于檢測(cè)是否存在 USB 或墻上電源的片內(nèi)電壓比較器電路，并在 EXT_PWR 引腳上具有一個(gè)狀態(tài)輸出。EXT_PWR的漏極開(kāi)路邏輯輸出能夠吸收高達(dá) 5mA 的電流，適合驅(qū)動(dòng)外部 LED。板載電壓檢測(cè)器持續(xù)監(jiān)控 USB 電壓和交流適配器電壓的狀態(tài)（通過(guò) WALLFB 引腳）。只要 USB 或墻壁電源可用且處于調(diào)節(jié)狀態(tài)，EXT_PWR引腳就會(huì)被拉低。

便攜式GPS導(dǎo)航器電源

今天的便攜式GPS導(dǎo)航儀使用兩節(jié)AA電池或一個(gè)交流適配器，并配備USB總線（用于數(shù)據(jù)傳輸）。電池壽命長(zhǎng)和系統(tǒng)尺寸小是電源的關(guān)鍵要求。GPS導(dǎo)航儀中使用的微處理器通常需要至少兩個(gè)不同的電壓電源：I/O電路通常為3.3V，處理器內(nèi)核通常為1.5V或1.8V。導(dǎo)航器可能還需要一個(gè)輔助的2.8V電源電壓來(lái)偏置LCD顯示控制器IC。

圖 8 顯示了用于便攜式 GPS 導(dǎo)航儀的完整、緊湊和高效的電源。五世主要（固定 3.3V） 為 I/O 電路供電。處理器內(nèi)核的電源，V核心，設(shè)置為1.8V，可通過(guò)改變反饋電阻比進(jìn)行調(diào)整。3.3V熱插拔輸出為閃存卡供電。LTC3456 包含一個(gè)非專(zhuān)用增益模塊 （引腳 AIN 和 AO），可用作低電池電量指示器或 LDO 控制器。圖8所示的增益模塊用作LDO，帶有一個(gè)外部PNP，用于從主輸出產(chǎn)生一個(gè)輔助2.8V輸出電壓。輔助 2.8V 電源用于為 LCD 控制器 IC 供電。五世.MAXLTC3456 的輸出即使在停機(jī)模式中仍保持活動(dòng)狀態(tài)，并用于為一個(gè)實(shí)時(shí)時(shí)鐘供電。

圖8.用于 GPS 導(dǎo)航系統(tǒng)的 2 節(jié) AA 電池供電的完整電源。請(qǐng)注意，非專(zhuān)用增益模塊（引腳AIN和AO）配置為L(zhǎng)DO控制器，以產(chǎn)生輔助2.8V輸出。

結(jié)論

LTC?3456 是一款完整的系統(tǒng)電源管理 IC，可無(wú)縫管理交流適配器、USB 電纜和 2AA 電池電源之間的功率流。集成 USB 電源管理器、高效 DC-DC 轉(zhuǎn)換器、熱插拔控制器和低電量指示器等一系列功能被壓縮到 4mm × 4mm QFN 封裝中。外部元件數(shù)量和整體系統(tǒng)成本降至最低。簡(jiǎn)單性、設(shè)計(jì)靈活性、高集成度和小尺寸使得 LTC3456 成為為許多便攜式 USB 設(shè)備供電的理想選擇。

審核編輯：郭婷