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ADI产品助力提高便携式设备的电源可靠性

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在日常生活中,便携式设备随处可见,如手机、手环、笔记本、数码相机等。一些追求高可靠性的行业, 如仪器仪表、医疗、电力、无人机、通信、轨道交通等,同样有许多便携式设备。因此,如何提高设备的电源可靠性成为一个值得探讨的问题。本文将为大家介绍 ADI 众多可供选择的产品及方案。

 

总的来说,设备根据能量来源的不同,简单分为三大类:

  • 一次性电池供电设备
  • 可充电电池供电设备
  • 自取电设备

一次性电池供电设备

典型的产品有地震监测设备、应急求救装置、高压带电显示装置、智能井盖检测等设备。这些设备通常有一个唤醒信号或者按键等。此类设计的重点在于:在设备待机时,唤醒电路的功耗,设备的静态漏电流。在设备进入正常工作状态时,电源系统的高效率以及电池电量及状态的监测,确保设备在一个可控尺寸的电池供电下,维持较长的工作时间,实现设备生命周期内的免换电池维护。

 

实现此类唤醒功能的ADI典型器件有:

  • 超低功耗三轴加速度计ADXL362
  • 超低功耗的按键控制器LTC295X系列

ADXL362的待机电流只有10nA,意味着可以维持长达数年的待机。270nA的振动能唤醒电流,唤醒后,100 Hz ODR数据输出率仅需1.8 µA 电流。

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图 1和 图 2 ADXL362实现MCU的振动唤醒

LTC295X系列是ADI的按键控制器,LTC2955/2956  PB关脚提供25KV的ESD保护,LTC2955是1.2uA的供电电流,LTC2956为0.8uA。LTC3337 针对一次性电池(如锂亚电池)电量、内阻、电压、温度等进行监测,100nA的漏电流,非常适合此种应用。

图3 LTC2955 按键唤醒.png
图 3 LTC2955 按键唤醒
图4 LTC3337多功能电量计.png
图 4 LTC3337多功能电量计

可充电电池供电设备

目前此类产品是我们接触的最多的,一个典型的系统框图如下:

图5 便携式设备框图.png
图 5 可充电设备框图

根据电池种类、电压的不同,ADI 提供了许多充电 IC 及集成的电源管理芯片。充电 IC 可分为线性充电器(一般用于小功率)和开关充电器,在设计电源及电池管理系统时,我们需要注意以下方面:

 

1、输入电压范围,是否有适配器,是否支持汽车的12V 或 24V 电池,是否支持 USB 充电,是否支持太阳能电池板等,这些不同的输入有不同的电压和特性,如果有多个输入,必须考虑 IC 是否兼容。

 

2、设备进行插拔、带重负载,受到 ESD 干扰、AC220V 中的瞬态干扰等,都会引起过流或者过压出现,典型的场景如下:汽车电池点火时电池电压可能出现的波形,如图6所示。为了保证系统的可靠性,必须增加相关 Surge Stopper 浪涌抑制器 IC,同时有插拔情况,则应考虑 Hot Swap 热插拔IC。

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图 6 汽车点火电压波形

3、充电IC的电池反向阻断保护,当 Vin 输入低于电池电压,部分充电 IC 不能反向隔离电池,电池电压会通过 IC 的 Vin 进入到电源系统。
如 LT3650、LTC4121(图7)等器件在对电池充电时,必须考虑在输入增加肖特基二极管或者其它防反电路,以防止输入断开时的电池反向供电。
也可以使用电池防反功能的充电 IC,如 LTC4162 / LTC4012 (图8 / 图9)所示,可以防止电池电压反灌到 Vin。

图7(a) LT3650 和LTC4121  开关型充电IC.png
图 7(a) LT3650 和LTC4121 开关型充电IC
图7(b) LT3650 和LTC4121  开关型充电IC.png
图 7(b) LT3650 和LTC4121 开关型充电IC
图8带INFET 反向隔离的LTC4162.png
图 8 带INFET 反向隔离的LTC4162
图9带INFET 反向隔离的LTC4012.png
图 9 带INFET 反向隔离的LTC4012

4、多路输入的选择,对于有多个输入的系统,如 2个不同电压的适配器输入,1个备用电池输入,最简单的方法是使用3个二极管并联,但是二极管引起的损耗及温升是设备难以承受的。可选择相关的 Ideal Diode Controller 理想二极管控制器 LT4367,Power Path 功率路径控制器 LTC4416,Prioritized Power Path 优先级可调的功率路径控制器 LTC4417 等器件来实现设计优化。

图10 理想二极管LTC4376.png
图 10 理想二极管LTC4376
图11 Power Path 控制器LTC4416.png
图 11 Power Path 控制器LTC4416
图12 优先级可调的Power Path 控制器 LTC4417.png
图 12 优先级可调的Power Path 控制器 LTC4417

5、设备功能电路工作电压高于电池电压,需要进行升压,如 LED 的背光光源、LCD/OLED的偏置电压等,必须注意升压器件是否具有输出断开功能。升压 IC 如 LT8330 ,电池电压过低时,升压停止时,输入会连通到 Vout,后级电路在电池低电压时可能会使电池过放或者持续漏电,可选带有断开功能的升压 IC LTC3122,对需要升压的功能电路进行供电和断开管理。

图13不带输出断开的升压IC LT8330.png
图 13 不带输出断开的升压IC LT8330
图14 带输出断开的升压IC LTC3122.png
图 14 带输出断开的升压IC LTC3122

6、部分升压 IC,在VIN>VOUT时,也能正常工作,类似 LDO,设计时需要考虑此时工况下的热损耗,如 LTC3539,如果有类似的应用,可以考虑使用 LT8337/LT8338, 当 VIN 高于稳定的 VOUT 时,LT8337/LT8338 进入100%占空比直通模式,非常适合电池供电系统和通用升压应用。

图15 LTC3539.png
图 15 LTC3539
图16 带输入直通的升压IC  LT8337.png
图 16 带输入直通的升压IC LT8337

7、对电池进行升降压操作时,必须计算电池截止放电电压附近的输出电流是否满足输出功率,否则相关 IC 会对电池造成过放伤害,甚至导致电池损坏。LTC353X、LTC311X等系列高集成度的 IC 都是非常好的选择。

图17高集成度Buck Boost IC  LTC3113.png
图 17 高集成度Buck Boost IC LTC3113

8、防止对电池的过充,充电 IC 都带有充电终止的功能,充电终止的判据有以下几种:C/x 电流截止、Timer 安全充电时长、dV/dt 电池电压变化率、dT/dt 电池温度变化率等,同时,可以降低浮充电压,例如将4.2V的电池最大浮充电压设置到 4.1V,或者增加相关的电量计芯片如 LTC294X 系列,对电池电量进行监测。

图18 LTC2944  电量计IC.png
图 18 LTC2944 电量计IC

自取电设备

ADI 拥有很多针对USB应用的 PMIC、集成充电功能的 DC/DC芯片等,同时对于超级电容或者其它作为储能器件的设备,也可以通过光、温差、振动、压电、电磁感应、无线谐振等供电方式进行能量收集,ADI 均有相关的方案可供参考。

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图 19 能量来源

 

能量源换能器ADI 电源管理IC
室内光
(200 lux to 1000 lux)
光伏电池
(砷化镓或单晶硅)
ADP5091
室外光
(1000 lux to 50000 lux)
光伏电池ADP5091
LTC3588
LTC4071
LT3652
温度梯度
(> 10˚dT)
热点发生器
(TEG)
LTC3107
LTC3108
LTC3109
振动压电
电磁
静电
LTC3588
ADP5304
多种源光伏和压电LTC3330
LTC3331

图  20  ADI 相关能量收集器件

总结

便携式设备电源设计,总是在体积、可靠性、功能、效率、散热、价格等方面进行平衡。更多的功能 IC,在保证了产品可靠性的同时,必然会导致整体效率下降、体积增大等。ADI 与我们骏龙科技公司愿意帮助您在相关产品设计中寻找合适的方案,使产品在众多要求中达到一个合理的平衡。如需咨询,请点击下方「联系我们」,提交您的需求,我们愿意为您提供合适的解决方案。

参考资料

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