PMIC di nuova generazione

POWER –

I circuiti integrati con topologia PowerPath sono in grado di estrarre più potenza da una porta Usb, gestire il flusso di potenza tra le fonti di alimentazione, la batteria e il carico; riducono il calore, aumentano l’efficienza di carica e offrono bassi livelli di tensione di uscita.


La tecnologia Usb ha aumentato la portabilità dei dispositivi elettronici, mentre per gestire contenuti più complessi è richiesta una maggiore capacità della batteria. Prendiamo ad esempio un lettore multimediale. L'esplosione di contenuti multimediali scaricabili da Internet ha determinato l'esigenza di trasferire i dati dei Pc su un dispositivo portatile; la tecnologia Usb rende più veloce questo trasferimento ed è inoltre pratica per caricare il dispositivo dalla stessa porta Usb. Esistono tuttavia alcune limitazioni di potenza quando la porta Usb viene utilizzata per caricare le batterie del dispositivo. I circuiti integrati con topologia PowerPath risolvono questi problemi, offrendo all'utente finale vantaggi quali la possibilità di gestire in modo semplice e autonomo le varie fonti di alimentazione, la batteria, fornire potenza al carico, effettuare il caricamento rapido con surriscaldamento minimo e fornire il funzionamento immediato ("instant-On").

Linear Technology propone l'LTC3555, un PMIC con gestione PowerPath a commutazione, un caricabatteria per batterie al litio, triplo regolatore buck e Ldo on board. Il dispositivo consente elevate prestazioni che valorizzano il prodotto finale; il package QFN miniaturizzato a basso profilo e i pochi componenti esterni lo rendono una soluzione semplice, compatta ed economica per i dispositivi elettronici portatili.

Le principali sfide di progettazione

In molti casi la carica della batteria via Usb risulta più conveniente per l'utente. Tuttavia, la compatibilità Usb pone dei limiti alla corrente. Un caricabatteria basato sulla tecnologia Usb deve estrarre potenza nel modo più efficiente possibile per soddisfare i severi limiti di spazio e termici delle applicazioni odierne ad uso intensivo di potenza.
Un altro problema è gestire il flusso di potenza all'interno del prodotto. Molti dei dispositivi elettronici portatili a batteria oggi disponibili possono essere alimentati tramite un adattatore a parete, un adattatore per auto, una porta Usb o una batteria agli ioni/polimeri di litio, per esempio. Tuttavia, la gestione autonoma del flusso di potenza tra le varie fonti di alimentazioni, il carico e la batteria rappresenta una importante sfida tecnica. Tradizionalmente i progettisti hanno cercato di eseguire questa funzione a discreti utilizzando una serie di Mosfet, amplificatori operazionali e altri componenti ma hanno incontrato serie difficoltà con l'hot plug e le ampie correnti di inrush che possono provocare gravi problemi di affidabilità del sistema. Ora anche le soluzioni a circuiti integrati discreti richiedono vari chip per poter implementare una soluzione pratica.
Le batterie agli ioni e ai polimeri di litio sono sempre più diffuse nei prodotti elettronici di largo consumo per via della loro densità di energia relativamente alta, forniscono più capacità di altre sostanze chimiche rispettando i limiti di dimensioni e peso specifici. Man mano che un prodotto portatile diventa più complesso, consuma più energia, da qui l'esigenza di batterie con capacità maggiore e la corrispondente necessità di caricabatteria più avanzati. Batterie di dimensioni più grandi richiedono una corrente di carica maggiore o più tempo per raggiungere la massima capacità di carica. La maggior parte degli utenti richiede tempi di carica brevi, quindi aumentare la corrente di carica sembra la soluzione ovvia; tuttavia, questo approccio presenta due svantaggi. Primo, con un caricabatteria lineare, la maggiore corrente crea una ulteriore dissipazione di potenza e calore, riducendo il "massimo" di potenza tipico a 2,1 W. Secondo, il caricabatteria deve limitare l'estrazione della corrente dal bus Usb da 5 V a 100 mA (500 mW) oppure 500 mA (2,5 W), in funzione della modalità negoziata dal controller host. L'esigenza di una carica ad elevata efficienza, l'alto livello di integrazione delle funzionalità richiesto al circuito integrato del caricabatteria, la necessità di ridurre l'ingombro sulla scheda e aumentare l'affidabilità del prodotto, mettono sotto pressione i progettisti di dispositivi elettronici a batteria.

Riepilogando, le principali sfide per i progettisti di sistemi sono:

  • Ottimizzare la corrente fornita dalla porta Usb (2,5 W disponibili)
  • Gestire il flusso di potenza tra più fonti di alimentazione, la batteria e il carico
  • Ridurre il calore al minimo
  • Ottimizzare l'efficienza della carica
  • Ridurre al minimo l'ingombro e il profilo della soluzione

Un PMIC per una "integrazione intelligente" come quello offerto da Linear Technology risolve questi problemi in modo semplice.

Una soluzione semplice: il controllo PowerPath

Il controllo PowerPath offre la possibilità di gestire in modo autonomo e senza problemi il flusso di potenza tra le varie fonti di alimentazione quali porte Usb, adattatori da parete, altri tipi di adattatori CA e la batteria; consente inoltre di fornire potenza sufficiente al carico. I sistemi PowerPath offrono il funzionamento "instant-On", ossia la tensione intermedia è disponibile per i carichi del sistema non appena viene applicata potenza al circuito. Questo consente al prodotto finale di funzionare immediatamente subito dopo il collegamento, a prescindere dallo stato di carica della batteria. Un dispositivo con controllo PowerPath alimenta il carico del dispositivo e carica la relativa batteria agli ioni/polimeri di litio a singola cella dalla fonte di alimentazione. Per garantire che una batteria completamente carica mantenga il pieno rendimento quando il bus Usb è collegato, l'IC indirizza l'alimentazione al carico tramite il bus Usb anziché prelevarla dalla batteria. Una volta rimosse tutte le fonti di alimentazione, la corrente passa dalla batteria al carico attraverso un diodo ideale interno a bassa perdita, riducendo al minimo la caduta di tensione e la dissipazione di energia. La Figura 1 riporta un diagramma a blocchi semplificato PowerPath a commutazione. La caduta di tensione diretta di un diodo ideale è molto inferiore rispetto a quella di un diodo convenzionale o Schottky, e anche la dispersione della corrente inversa può essere inferiore per il diodo ideale. La bassa caduta della tensione diretta riduce le perdite di potenza e l'autoriscaldamento, cosa che prolunga la durata della batteria.

Un sistema PowerPath a commutazione

Le applicazioni dei sistemi di carica Usb di prima generazione hanno implementato un caricabatteria a limitazione di corrente direttamente tra la porta Usb e la batteria, punto in cui la batteria alimenta direttamente il sistema. I sistemi di carica Usb lineari di seconda generazione hanno sviluppato una tensione intermedia tra la porta Usb e la batteria (sistema PowerPath). I nuovi sistemi di carica Usb di terza generazione hanno una topologia a commutazione. Questo tipo di dispositivo PowerPath produce una tensione di bus intermedia da un regolatore a commutazione step-down (buck) conforme allo standard Usb regolato su una tensione fissa superiore alla tensione della batteria. Linear Technology ha denominato "Bat-Track" questa forma di controllo adattivo dell'uscita. La tensione intermedia regolata è sufficientemente elevata da consentire la carica corretta attraverso il caricabatteria lineare. Con questo tipo di tracciatura della tensione della batteria, la perdita di potenza nel caricabatteria lineare viene ridotta al minimo, aumenta l'efficienza e viene ottimizzata la potenza disponibile per il carico. Inoltre, il limite di corrente d'ingresso di commutazione media ottimizza la possibilità di utilizzare tutti i 2,5 W disponibili da un alimentatore Usb. Un PFET esterno opzionale riduce l'impedenza del diodo ideale per limitare la dissipazione di calore. Questa architettura è imprescindibile per i sistemi con batterie di grandi dimensioni (>1,5 AHr).

Un PMIC basato sulla gestione PowerPath a commutazione

Il PMIC LTC3555 combina il sistema di gestione PowerPath a commutazione Usb, un caricabatteria per batterie al litio con tre regolatori buck sincroni e LDO per fornire una soluzione di alimentazione completa in un piccolo package QFN (4 x 5 mm) a 28 pin.
Il caricabatteria per batterie agli ioni/polimeri di litio a corrente e tensione costanti utilizza la funzione Bat-Track per ottimizzare l'efficienza del caricabatteria generando una tensione d'ingresso che traccia automaticamente la tensione della batteria. Il funzionamento autonomo standalone elimina la necessità di un microprocessore esterno per la terminazione della carica. Poiché si risparmia potenza, l'LTC3555 consente alla corrente di carico su VOUT di superare la corrente estratta dalla porta Usb senza superare le specifiche di carico Usb; è quindi possibile ottenere una corrente di carica di 700 mA dalla porta Usb per consentire la carica rapida. Un'interfaccia seriale I2C consente ai progettisti di sistemi di avere il controllo completo del caricabatteria e dei convertitori buck per ottenere il massimo livello di adattabilità alle diverse modalità operative in un'ampia gamma di applicazioni. I tre convertitori CC/CC step-down dell'LTC3555 configurabili dall'utente forniscono correnti d'uscita di 0,4 A e 1 A per tensioni d'uscita fino a 0,8 V, con funzionamento a duty cycle del 100% ed efficienza fino al 92% per tensioni d'uscita maggiori di 1,8 V. Il funzionamento Burst Mode ottimizza l'efficienza a basso carico con una corrente di riposo di soli 35 µA per regolatore (< 1µA in modalità di spegnimento). L'elevata frequenza di commutazione da 2,25 MHz consente l'utilizzo di condensatori a basso costo di dimensioni ridotte e induttori con altezza non superiore a 1 mm. Inoltre, i regolatori sono particolarmente stabili con condensatori ceramici in uscita, permettendo così di ottenere un ripple della tensione di uscita molto basso. Inoltre, il dispositivo fornisce un'uscita del regolatore Ldo a 3,3 V "always-On" in grado di fornire 25 mA per esigenze di sistema quali i clock in tempo reale o i monitor a pulsanti.

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