ADI产品助力提高便携式设备的电源可靠性

作者
Carter Huang
文章来源
Cytech Engineer

ADI产品助力提高便携式设备的电源可靠性

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、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
图4 LTC3337多功能电量计

二、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 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。

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
图7(b) LT3650 和LTC4121  开关型充电IC
图8带INFET 反向隔离的LTC4162
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
图11 Power Path 控制器LTC4416
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
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
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

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

三、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。

图19 能量来源
图19 能量来源

能量源

换能器

ADI 电源管理ICs

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

ADI 充电IC  LT料号详细介绍
http://www.analog.com/media/en/news-marketing-collateral/solutions-bulletins-brochures/linear-battery-charger-brochure-2016.pdf
ADI 充电IC  AD料号详细介绍
http://www.analog.com/media/en/news-marketing-collateral/solutions-bulletins-brochures/High-Performance-Power-Management-Products.pdf

 

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