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加快I²C和其他常见串行数据流的测试和故障排除

电池供电系统的设计人员有许多电源管理集成电路(PMIC)可以从效率,性能,占地面积和成本之间取得适当的平衡。但是,他们也必须尽快将他们的设计打开。所以不必花费太多时间在选择过程中,他们可以针对特定的设计目标和优先级使用针对特定应用,更高度优化的解决方案。
广泛的PMIC供应商看到,设计人员努力缩短从几十个来源中选择数以千计的通用PMIC的时间,然后添加电路来优化这些PMIC以满足其特定应用。为了提供帮助,他们确定了独特的特性和属性,可以将其添加到PMIC中,为特定类别的设计目标和优先级制定针对特定应用,更高度优化的解决方案。
通过选择适合特定情况需求的PMIC,设计师可以简化任务,减少BOM和成本,同时实现更好的性能。作为进一步的好处,设计人员不需要尝试使PMIC适应这种情况,从而节省了时间并最大限度地减少了沮丧。
本文将回顾PMIC的基本角色。然后,它将看到五个不同的PMIC挑战,并描述大大减少设计时间,努力和恶化的解决方案。

PMIC的作用

PMIC或其角色没有单一的普遍接受的定义,因为系统的电力需求差异很大。一般来说,PMIC负责一个或多个这些角色:
  • 可用作降压,升压或降压/升压转换器
  • 确保稳压电流以正确的电压从电源输出到负载
  • 管理一次(不可充电)和二次(可充电)电池的放电,以及二次电池的充电
  • 在电池供电时管理直流电轨输出,并在电池充电时(如果适用)进行此操作
  • 确保在多个导轨之间的加速/减速时序和排序正确完成
  • 防止电源子系统或电池状况和故障(内部短路,完全放电或缺失)导致系统损坏,反之亦然
但是这些仅仅是PMIC功能的起点。随着电子设备和系统已经扩展到无数的应用领域(其中许多应用在几年前几乎不存在),PMIC供应商通过增加有针对性的功能和特性来满足每个细分市场的独特需求,并强调某些性能参数以最好地匹配这些利基需要。   

USB设计的挑战

USB规范经历了几次重大升级,提高了速度,使其成为使用范围广泛的直流电源,电流额定值从0.5安培(A)到5A。
PMIC设计挑战#1:使用USB互连为电池充电并提供电路电源。
USB已经成为许多设备选择的通用充电源。设计的挑战是提供来自USB端口的DC / DC电源轨调节作为电源,并且在很多情况下也管理这个电源给内部电池充电。这样做需要的不仅仅是电压转换和调节,还需要管理电池充电/放电曲线。后者可能非常复杂,具体取决于化学。
设计还必须符合USB标准的规范和协议,包括端口检测和设置,对电池电量不足的充电,允许插入/拔出USB连接器的尖峰电压,以及使用所有符合USB标准的电源。
PMIC解决方案:具有电源路径和USB兼容性的Analog Devices ADP5065快速充电电池管理器等IC 可以满足这些需求(图1)。它的输入电压在4伏和5.5伏之间,但也可以承受高达20伏的电压,以最大限度地减少与USB总线“尖峰”相关的问题。
ADI公司的ADP5065框图
图1:ADI公司的ADP5065解决了与基于USB的电池充电,电池或USB电源的无缝操作以及电池缺失或放电有关的多个问题。(图片来源:Analog Devices)
DC / DC开关器件工作在3兆赫(MHz),从专用充电器提供高达1.25 A的充电电流。充电器输出和电池之间的内部FET提供隔离,即使电池已经电量耗尽或不在,也可以为系统提供电力。
为此,该IC实现了USB协议序列,用于电池存在检测和电池电量不足检测,这对于满足USB操作标准(图2和图3)至关重要。这允许从USB电源立即进行系统操作,而不需要使用可行的电池。
ADP5065充电器的图表主动吸收和输出电流
图2:ADP5065充电器主动吸收和输入电流到特定的IC节点,并检测到电压与时间的关系。吸收阶段用于检测已充电的电池。(图片来源:Analog Devices)
源相图用于检测放电的电池
图3:源极阶段用于通过在有限时间内注入电流来检测放电的电池,并检查响应。如果满足特定标准,则IC充电器假定电池存在,并开始新的充电周期。(图片来源:Analog Devices)
使用ADP5605 的I 2 C端口,系统处理器可以编程所有关键的充电/放电参数,包括涓流充电电流水平,涓流充电电压阈值,弱电荷(恒流)电流水平,快速充电(恒流)电流水平,和快速充电(恒定电压)电压电平等等。
PMIC设计挑战2:几乎在任何情况下都能检测,管理和保护USB端口。
PMIC解决方案:具有USB属性的另一个PMIC是来自Diodes Incorporated的PI3USB9281C。该设备为任何USB设备提供外部检测。根据CEA标准CEA-936-A(USB Carkit Specification),它可以检测各种可用的充电器,包括移动高清链接(MHL)配件,OTG(随身行)配件和汽车充电器。允许使用用于UART和模拟音频信号的迷你USB连接器。它还集成了具有过压和过流保护的电源开关(图4)。VBUSIN输入引脚可以承受高达28V的电压,这对于支持USB 3.0电源输出的端口非常重要。
二极管PI3USB9281C图
图4:使用PI3USB9281C,设计人员可以轻松实现一个充电器,该充电器可以检测几乎任何USB源,然后运行。(图片来源:Diodes Incorporated)
该流程图显示了连接设备时USB握手和接口的复杂性(图5)。通过将其添加到其他PMIC功能中,该IC管理通过USB连接器对集成锂离子电池充电。如果这个流程图的序列不是由IC实现的,那么设计者就必须把它编码到系统微控制器中。这是一个耗时,容易出错的过程,仍然需要USB认证。
Diodes PI3USB9281C流程图的图片
图5:根据PI3USB9281C的流程图(状态图)演示,检测连接的USB端口和源类型并评估其有效性并不简单。(图片来源:Diodes Incorporated)

降压,升压操作:另一个PMIC作用

虽然有很多应用只需要在降压模式或升压模式(分别降压或升压)下进行电压转换和调节,但也有很多需要两种转换的应用。在这些情况下,PMIC不仅要提供降压和升压功能,还要管理两种模式之间的无缝转换。例如,如果单个锂离子电池必须被设计为在电池从完全充电到2.6伏时耗尽的情况下输出2.0伏的电压轨,那么将是相当耗尽的1.6伏输出。
PMIC设计挑战#3:为几乎任何电池化学品提供充电/放电管理
PMIC解决方案:为了解决单一设计中的各种化学问题,可以使用德州仪器TI)的 bq25703A等IC 。这款I 2 C多化学电池降压 - 升压型充电控制器还包含一个系统电源监视器和一个处理器热监视器。它接受3.5伏至24伏的输入工作电压,并支持一至四个电池(图6)的几乎任何化学电池组(Li +,LiFePO4,NiCad,NiMH,铅酸)的充电。目标应用包括无人机,蓝牙音箱,IP摄像头,笔记本电脑和平板电脑等消费类产品以及工业和医疗设备。
德州仪器bq25703A图提供了充电器管理
图6:bq25703A为所有标准电池化学品提供充电器管理; 它具有3.5伏至24伏的各种电源功能,同时支持1至4个电池的电池组。(图片来源:德州仪器)
其主要功能是从各种输入源(包括USB适配器,高压USB PD源和传统适配器)为电池充电。即使电池完全放电或移除,它也可以保持系统(负载)运行。这种IC的小尺寸(32引脚4×4 WQFN)意味着它可以安装在电池组内,以提高系统的完整性和可靠性。
即使没有电池或深度放电的电池(经常发生),也可以提供即时开启功能,并且在充电适配器满载时还可以让电池充电。图7显示了带有20伏电源的双节电池无电池配置的bq25703A上的关键信号的上电时序。图中显示了输出电压约10毫秒(ms)公交车,没有过冲或响。
bq25703A上关键信号上电时序的图像
图7:bq25703A上关键信号的上电时序,采用2节电池,无电池配置,20伏电源。(图片来源:德州仪器)
使用5伏电源时,输出电压大约需要35ms才能达到最终电压(图8)。
bq25703A上关键信号的上电时序图
图8:bq25703A上关键信号的上电时序,采用双电池,无电池配置,5伏电源。(图片来源:德州仪器)
PMIC设计挑战#4:管理双电池电​​源(例如汽车12/48伏系统)中广泛不同的高电压电池的充电/放电/共享。
PMIC解决方案:另一个与电力有关的设计问题涉及在汽车中使用双电压母线,适用于标准内燃式车辆以及全电动车辆和混合动力车辆(EV / HEV)的变化。目前的12V电池和总线不能提供足够的电流和功率,而不会由于I 2 R耗散引起的电流电阻(IR)下降和功率损耗而导致严重的电压损失。尽管使用重型布线和连接器可以减少这些损耗,但这种选择会增加重量,空间和成本。
另外,汽车行业正在建立一个新的双母线标准,同时支持48和12伏的母线。但是,对这些双总线进行管理并优化其有效供电的能力,同时对电池进行适当充电是一项艰巨的设计任务。
要解决这些问题,一种选择是使用LTC3871从凌力尔特公司。(现在是ADI公司的一部分)。这是一款高性能双向开关稳压器控制器,可根据需要在降压或升压模式下工作,非常适合48/12伏汽车双电池系统(图9)。
凌力尔特LTC3871降压/升压PMIC的图表
图9:管理汽车48和12伏电池系统的充电,放电和共享需要一个双向降压/升压型PMIC,如LTC3871。图片来源:Linear Technology Corp.)
一个精确的电流编程环路调节可以在任一方向传送的最大电流。LTC3871还允许两个电池同时向负载供电。其架构允许对输入电压,输出电压或电流进行动态调节,对于较高的电压供应,电压可高达100伏特,对于较低的电压供应,则高达30伏特。这完全在48和12伏双总线系统的要求之内。LTC3871还可在大约50微秒(μs)内管理从降压到升压模式的几乎无缝,无碰撞的转换(图10)。
LTC3871的图形从降压转换为升压模式
图10:随着LTC3871从降压模式转换到升压模式,转换几乎是无缝的,只需要大约50μs,几乎没有振铃。(图片来源:Linear Technology)
由于该PMIC专门针对汽车应用,因此必须满足业界对晶体管结温工作范围(-40°C至150°C)非常严格的要求,以及对瞬变,负载转储和其他影响电力铁路。它通过其使用的48引脚,7毫米达到温度任务部分2,LQFP塑料封装具有用于增强散热到印刷电路板的暴露的下侧的热垫。

微功耗也给PMIC带来挑战

PMIC设计挑战#5:管理功率受限的可穿戴设备的充电/放电,并将静态电流保持在最低水平。
在汽车电池的功率和电压频谱的另一端是用于超低功率应用(例如可穿戴设备)的PMIC。在这里,关键因素是高效率,精心管理各种工作模式,优化电池充电/放电,以及极低的静态电流和睡眠模式耗散。
意法半导体STBC02JR基于USB的锂离子电池充电器,LDO和负载开关等集成电路解决了这一专业领域(图11)的需求。该高度集成的电源管理IC还包括一个智能复位/看门狗模块和一个保护电路模块(PCM),以防止电池在故障条件下损坏。
意法半导体STBC02JR基于USB的锂离子电池充电器图
图11:针对超低功耗应用(例如可穿戴设备)而设计,STBC02JR强调低待机和静态功耗。(图片来源:意法半导体)
STBC02在“运输模式”条件下从始终连接的电池中吸取的电量少于10纳安(nA),以最大限度地延长电池的使用寿命; 当单元使用时静态电流为600μA,但未连接到充电器。该IC控制电池充电/放电,其LDO从关机模式唤醒到电池模式(正常使用)约200微秒(图12)。
STBC02JR系统输出(红色)和LDO输出(蓝色)
图12:唤醒时,STBC02JR系统输出(红色)和LDO输出(蓝色)在大约200μs时间内几乎同时转换到全输出,系统输出轨上有短暂的20μs过冲约200 mV, LDO输出。(图片来源:意法半导体)
随着功耗的增加,尺寸也非常重要,所以这款器件的尺寸仅为2.59×2.25mm。此外,STBC02由于电位暴露的环境,可能会受到用户服装和其他来源的静电影响,STBC02在其最关键的引脚上具有±4千伏的人体模型(HBM)ESD保护。

一些选择技巧

即使使用专用的,特定于应用的IC,可用PMIC的范围和深度也是令人恐惧的,但不一定如此。首先,放弃那些基本规格不符合应用程序顶层要求(电压输入,电压输出,电流)的应用程序。然后,通过查看它们提供的针对特定应用程序问题的应用程序特定功能来进一步缩小搜索范围,例如:
  • 电池充电/放电,保护
  • USB连接
  • 使用/不使用电池
  • 物理尺寸
此外,请注意,尽管尺寸较小,但这些IC的多功能功能需要对数据表进行仔细的分析,关注图表,表格,应用信息,效率数据,模型等等。
寻找如何解决降额和散热问题,启动和转换模式时序,各种寄存器的使用,瞬态和噪声问题,各种模式下的效率,印制电路板布局指南以及无源器件建议。

结论

设计人员在PMIC方面面临许多选择,但通过选择特定于应用的解决方案,他们可以缩短产品上市时间,降低成本,减少麻烦,减少系统设计“惊喜”。但是,要密切关注经常扩展的数据以便实现这些解决问题的潜在好处,以应用为目标的PMIC。

(责任编辑:ioter)

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