研諾新款IC AAT2601的完整電源解決方案

Abstract:概要：

便攜式和手持式設備設計師一直在為他們已經功能十分豐富的產品增添新的激動人心的功能，這一令人難以置信的朝著前所未有設計復雜度發展的趨勢，對硬件和軟件的整體系統設計提出了很高的要求。這些設備還必須在所有工作條件下表現出很長的電池壽命，這反過來又對電源分配子系統提出了很高的要求，這類子系統通過提供高度復雜、高度功能化的功率密度解決方案已經在該領域加速了令人瞠目結舌的進步。AnalogicTech公司提供可滿足這些非常苛刻要求的一系列完整的和集成化的單片IC解決方案。在本文中，我們將詳細討論其中的一款IC，即AAT2601，并展示它如何為好幾種不同應用提供完整電源解決方案。

引言：

AnalogicTech公司可提供范圍非常大的電源轉換解決方案，它們都是針對便攜式和手持式電池供電電子設備而特別設計的。

最新公布的AAT2601是以下便攜式應用的整體電源解決方案，如：

數碼相機
GSM或CDMA手機
手持式儀器
PDA和手持式計算機
便攜式多媒體播放器

該單片IC解決方案是AnalogicTech整體電源管理IC（TPMIC）產品系列的一個成員，它采用了散熱性能更好的550.8mm小外形36引腳TQFN封裝。

這一先進的電源模塊單元（PMU）可提供一系列的集成性能和功能，它們有助于優化電源分配性能和PCB板面積。下面是其中一些性能和功能：
4.5V到6V的輸入電壓范圍
一個電池充電器
數字化熱量調節
充電電流可編程到1.4A
充電電流終端匹配編程
可用作電池預處理的自動涓流充電
一個用于核心應用的完全集成降壓同步轉換器，它帶有內部補償可節省應用設計時間和允許更快的上市時間。它采用1.5MHz的開關頻率，從而可在保持很低開關損耗和提供93%以上峰值效率的同時，將外部元件尺寸最小化。
五個低壓降穩壓器LDO。所有LDO輸出電壓可采用I2C接口進行編程。所有LDO提供60dB電源抑制比PSRR，其低噪聲運轉性能使得它們非常適合為噪聲敏感負載提供電源。
所有六個電壓穩壓器的靜態電流都很低。在降壓轉換器和2個LDO工作時，總的無負載電流僅有170μA。

電源系統要求：

所有便攜式消費電子應用都依靠某種需要周期性充電的電池進行工作。電池要求一個非常嚴格的充電方法學，以保證在維持安全工作的同時進行成功的充電。這些設備采用的CPU要求一個穩壓的核心電壓，它必須具有杰出的瞬態響應和高電源轉換效率。各種其它功能要求多個低壓降穩壓器LDO，來為所有相關的電路提供電源。

詳細的模塊描述

功能方塊圖

圖1：AAT2601的功能方塊圖

圖1描述了AAT2601PMU的功能方塊圖。AAT2601是一個完整的電源管理解決方案。它無縫地集成了一個智能、獨立CC/CV（恒流/恒壓）、線性模式單節電池充電器、一個降壓轉換器和五個LDO，以從墻上適配器或一個單節鋰離子/鋰聚合物電池產生電源。內部負載開關允許LDO穩壓器和同步降壓DC-DC轉換器選擇在最佳的電源（AC墻適配器、USB口電源或電池）下工作。

如果系統中只有電池，那么電壓穩壓器和轉換器可直接通過一個100mΩ負載開關從電池供電，此時，充電器進入睡眠模式并僅消耗不到1μA靜態電流。

如果系統連接到一個墻適配器，那么電壓轉換器可直接通過一個500mΩ負載開關從墻適配器供電，電池則與電壓轉換器輸入脫開連接。這允許系統在不管電池充電狀態或沒有電池的情況下工作。

降壓同步轉換器

AAT2601含有一個高性能300mA、1.5MHz同步降壓轉換器。該降壓轉換器設計用于確保在100A到300mA的整個負載電流譜上具有很高效率性能，峰值效率超過93%。它只需要3個外部電源器件：輸入和輸出陶瓷電容、以及一個輸出指示器。一個帶內部補償的高DC增益差錯放大器控制輸出。

它可提供杰出的瞬態響應和負載/線路穩壓。典型的瞬態響應時間不到20μs。該轉換器具有軟啟動控制性能，以限制浪涌電流和LDO輸出端的占空比轉換到100%。電源器件的選擇既要滿足300mA負載電流的要求，又要在整個負載上維持超過88%的效率。

其轉換器是一個峰值電流模式降壓轉換器，內部大帶寬環路控制電感峰值電流。電感電流通過用作高端或控制開關的P溝道MOSFET感應出來，它也用于短路和過載保護。一個固定斜率的補償信號被疊加到感應電流之上，以保持占空比大于50%的應用的穩定性。帶輸出電容的峰值電流模式環路用作電壓編程電流源。

電壓差錯放大器的輸出用來控制電流模式環的必要峰值電感電流，以強制輸出一個適用于所有負載和線路情況的恒定輸出電壓。

電壓反饋電阻分壓器是內部的，差錯放大器參考電壓是0.45V。電壓環路有一個很高的DC增益，它是專為杰出的DC負載和線路穩壓而設計的。內部電壓環路補償位于跨導電壓差錯放大器的輸出端。

降壓轉換器也具有軟啟動性能，當輸入電壓或使能輸入最初施加上去時，它可緩慢地增加內部參考電壓。它可限制輸入端看得到的浪涌電流，并可消除輸出電壓過沖，從而可提供安全和可靠的性能。

在過載情況下，峰值輸入電流是受限制的。隨著負載阻抗降低和輸出電壓快掉到零時，更多的功率在內部消耗掉，并升高設備溫度。熱保護功能可在內部功耗變得過高時，完全切斷轉換開關，從而可保護設備免受損壞。結過溫門檻是140C，遲滯溫度范圍是15C。

I2C接口

I2C接口內部嵌進了很多性能，如充電器的編程和輸出電壓設定，凡此種種。

這一器件的其中一個關鍵性能是，通過I2C接口，輸出電壓可以在限制之內進行調整，它也可稱為動態輸出電壓調整。這是一個非常重要的性能，它允許在低電池、高溫度和電池老化等工作條件下優化系統的動態性能。


電源轉換效率

圖2：在100A到400mA的負載電流情況下AAT2601的電源轉換效率
圖中文字：OutputCurrent(mA)輸出電流
Efficiency(%)效率
效率與負載曲線

降壓轉換器在感興趣的所有負載電流上可連續保持很高的效率。在2.7V輸入電壓下峰值效率超過93%，在4.2V輸入電壓下峰值效率超過90%。這一高效率允許更長的電池壽命和電池容量的更好利用。高效率和更低的開關損耗允許設備的工作溫度更低，而這要求更少的熱管理設計和直接導致更高的可靠性。

瞬態響應

瞬態負載


Figure3,Loadtransientresponse.LoadTransientResponseat
10mA-100mA;Vbat=3.6V;VOUT=1.8V;COUT=4.7F
圖3：負載瞬態響應。測試條件為：10mA-100mA;Vbat=3.6V;VOUT=1.8V;COUT=4.7F

CPU內核電源必須提供內核所需的電壓和電流，以及非常快速的負載瞬態響應。瞬態時間是好幾個變量的函數，如輸出濾波器電感和電容，最重要的是轉換器的環路帶寬。環路帶寬是控制方案和開關頻率的函數。典型地，大于開關頻率一半的環路帶寬實際上是很難實現的，而四分之一或十分之一開關頻率的環路帶寬是較容易實現的。

圖3顯示了AAT2601可實現的杰出瞬態響應，觀察到的瞬態電壓是-70mmV/+58mV。瞬態響應時間大約是杰出的20Sec。

線路瞬態響應

圖4：同步降壓轉換器線路瞬態響應，測試條件為Vbat=3.5V-4.2V;IOUT=300mA;VOUT=1.8V;COUT=4.7F
圖中文字：Measure測量
Value數值
Status狀態


該降壓同步轉換器具有優異的線路瞬態響應。圖4描述了輸入電壓在3.5V到4.2V之間每上一個臺階的線路瞬態響應，圖中顯示是+65mV/-70mV的電壓擺幅。這一性能保證了在線路電壓變化下內核電壓的混亂保持在規范之內，從而確保了工作的可靠性。

典型的上電和下電順序

上下電順序是今天的智能解決方案的關鍵要求。

在該器件中實現正確的上下電順序有很大的靈活性。首先是通過使用獨立的使能信號，其次是通過使用I2C接口。

此外，該器件還具有其它一些使能輸入，它們用于實現AAT2160的自測試和睡眠模式等，它們可幫助用戶優化其解決方案。

電池充電器

電池充電器是任何針對便攜式應用的PMU的一個關鍵功能塊。

電池充電曲線由以下三個階段組成：
1.預電流模式涓流充電
2.恒定電流模式充電
3.恒定電壓模式充電

1.預涓流充電

為了維持一個安全的充電環境，電池充電僅在AAT2601電池充電器檢測到以下幾個條件才會開始。輸入電源必須大于最低工作電壓UVLO，以及使能引腳ENBAT必須是低電平。

當電池連接到BAT引腳時，電池充電器先檢查電池的條件，再決定采用哪種充電模式。

如果電池電壓低于預電壓門檻VMIN，那么電池充電器將啟動預涓流充電模式，并以編程設定的恒流幅度的12%對電池進行充電。

涓流充電對一個深度放電的電池單元來說是一種安全的預防措施。當輸入輸出電壓差為最高時，它還可降低在內部串接導通MOSFET上的功耗。

2.恒流模式充電電流

涓流充電一直持續到電池電壓到達VMIN。一旦到達此點，電池充電器開始恒流充電。該模式的缺省電流水平可使用一個位于ISET引腳與地之間的電阻進行調節。一旦針對缺省充電電流選定了電阻，該電流可通過I2C接口在設定缺省充電電流的40%到180%的范圍內進行調節。設定電流可在最低100mA和最高1A之間進行調整。

當ADPP信號變高時，缺省I2C設置是復位。如果USE_USB信號在ADPP信號變高時是高電平，那么充電電流就復位到內部設置的100mA電流，直到微控制器發出另一I2C信號來改變充電電流。

3.恒壓模式充電

恒流充電將一直持續到電池電壓到達輸出充電電壓調節點VBAT_REG。當電池電壓上升到調節電壓(VBAT_REG)時，電池充電器將轉換到恒壓模式。VBAT_REG出廠時校準到4.2V(標稱值)。恒壓模式充電將一直持續到充電電流減少到充電終止電流的末端，該充電終止電流可通過I2C接口進行編程。

充電安全定時器（CT）

在監控充電周期的同時，AAT2601利用一個充電安全定時器來幫助識別受損電池單元，并確保該電池單元安全地充電。其工作流程如下：在啟動充電周期之后，AAT2601以編程設定的最大充電電流的12%對電池單元進行充電，一直到電池電壓VBAT>2.8V。如果電池單元電壓在安全定時器計數終止前沒能上升到預設置典型門檻電壓2.8V，那么該電池單元就被認為已受到損壞，充電周期也隨之終止。如果電池單元電壓在定時器計數終止前超過2.8V，那么充電周期就進入快速充電階段。AAT2601有3種超時周期：涓流充電模式下是1小時，恒流充電模式下是3小時，恒壓充電模式下也是3小時。

CT引腳由恒流源驅動，并將在定時電容數值上提供一個線性增長響應。因此，如果定時電容的數值是其標稱0.1μF的一倍，那么超時周期也將延長一倍。如果不需要可編程看門狗定時器功能，可以通過將CT引腳接到地上來解除該功能。定時電容應當在PCB板上盡量靠近CT引腳。

陶瓷電容材料（如X7R和X5R類型）是這一應用的上等之選。

應用框圖

圖5：應用框圖


圖5描述了一個典型的應用框圖，它顯示了PMU正常工作所需的所有外部元器件，以及顯示了微控制器接口。

PCB設計指南

在進行PCB設計時，應當遵循下列布局指南，以確保AAT2601的正常工作：

地層應當在AAT2601封裝下有一塊很大的裸露銅皮墊，它上面有很多連接到所有PCB層的過孔，以保證良好的熱散發。
電源走線（包括GND走線、LX走線和VIN走線）應當盡量短、直接和寬，以允許大電流流過、降低寄生電感和電阻。到LX引腳的濾波器電感連接應當盡量短。在多層之間走線時，使用多個過孔墊。
輸入電容應當盡量靠近CHGIN和PGND，以得到良好的電源濾波效果。
將開關節點盡量遠離敏感的反饋節點。
反饋走線應當與任何電源走線隔離開，并盡量靠近負載點。沿著高電流負載走線感應信號將影響DC負載校準。
輸出電容和輸出電感的連接走線應當盡量短，而且在電感下面不應該有任何信號走線。
從負載返回到電源地的走線電阻應當保持在一個最小值，方法是盡可能地縮短它們的走線長度。這將有助于最小化由于內部信號地和電源地的電位差而引發的任何DC調節差錯。


結論

在本文中，我們回顧了AAT2601PMU的一些性能，并討論了該器件是如何以一種非常復雜的架構和小巧封裝進行設計的，以優化性能和占板面積。

下面是AAT2601應該再次被明確強調的性能：

1.AAT2601提供了適合多種應用的完整電源分配解決方案。這包括一個電池充電器、一個同步降壓轉換器和五個LDO。
2.同步降壓轉換器提供杰出的電源轉換效率、線路和負載瞬態響應。
3.AAT2601提供用于對充電器和LDO進行編程的I2C總線接口。
4.所有的LDO提供60dB電源抑制比PSRR，且其低噪聲運行性能使得它們適合為噪聲敏感負載提供電源。
5.該器件采用散熱性能更好的小外形550.8mm36引腳TQFN封裝。
6.非常低的靜態電流，僅為170A
7.提供過流和過溫保護功能，以確保高可靠性。