TI 电源系统设计概览: 电池、升压降压、LED 驱动 及 LDO

大家上午好！我是Kevin Song。 接下来由我带来 TI电源系统 包括电池 DC/DC LDO LED Driver 的方案介绍 首先 我们来看看电池的管理方案 在智能音响上面 TI 可以带来的电池管理的内容 包括电池充电和电池计量 在电池充电方面 我们可以帮产品解决的是可以实现快充 高效率 高的集成度 以及有很高的精度 从而保证电池的使用寿命 然后 用Gauge这样的音响产品呢 它可以将我们音响的 使用时间续航提高15-20% 另外 它也可以延长电池的使用寿命 基于我们阻抗各种算法 Gauge可以将测量精度 达到99%以上 另外 如果是一个多节电池 我们gauge 可以实现一个电池均衡的效果 这些功能呢 到后面 我们具体介绍产品的时候 会有比较详细的描述 当工程师选择电池充电的时候 有哪些 问题需要考虑的呢？ 首先 你的电池是单节的 还是多节的 然后 你是一个高压adapter 进来 需要一个传统的降压充电 还是2节电池 5V USB 进入的 一个Boost 充电方式 甚至有比较流行的 [inaudible] buck-boost升降压充电方式 还有你的speaker是否需要支持快充 以及 当电池在完全放电的情况下 一插上USB 是否能够立马点亮系统 我们把它叫做instant-on feature 在家里面 我们有各种各样的adapter 它们的输出能力会不一样 charger是否能够自动识别adapter 的输出能力 让它工作于一个最好的状态而不至于被拉垮 这些都是我们电池管理 能带给大家的一个比较好的内容 接下来我会重点介绍几个很有价值的功能 其中 第一个是指的 Power pass 我们可以看Charger 的内部结构 它会输入 经过一个AC Fed 然后 经过一个buck 电路 给我们的系统供电 然后 我们的电池接到的是buck pin 上 Buck 和系统供电之间有Q4 这样一个fed 将它隔开 这样做的好处是 当我们的电池完全没电的情况下 一插上USB 然后 我们的系统就可以立马得到供电 而不用等到电池电压升起来 然后 第二个好处是 我们的蓝牙音响 或者智能音响它的动态负载 有时候 会突然来个 瞬间的大的功率播放 需要一个大的电流 这时候 Charger 可以实现从充电状态变为放电状态 这样的话 相当于电池 和前面的adapter 同时 给系统或者功放进行供电 第三个好处是 我们的Charger 可以做到这样一个电源路径管理 实现它的全自动的方式 也就是说从充电到放电 它都自动实现的不需要我们做任何操作 最终目的是保证我们的系统供电 处于最高的一个优先级 第二个想介绍的功能是ICO 大家知道家里面的adapter是各种各样的 它们会有不同的输出能力 当charger 拉很大的电流的时候 超过adapter 输出能力它的电压就会开始下降 就可能会被拉垮 传统的 我们之前有一个function 叫做VINDPM 它指的是 一旦我们设置 比如说 5V的adapter 我们设置到 4.5V 比如 拉到这个点的时候呢 就不再增大电流了 它就一直工作在VINDPM的附近 但是 这样也会有一个不太完善的地方是 它需要在这个附近不断地震荡 从而 在过载状态会使adapter 有一个比较高的发热 然后我们的 新的ICO的功能 它就是 会记住这个点 然后将电流降低 从而保证adapter 不会工作在VINDPM这个点上 而会 就是它的电压会更高 这样做的好处是 第一个保证Adapter 不会被拉垮 第二个 也能保证Adapter有一个很好的热表现 接下来我们一起来看一下 TI 非常好的一些产品 这颗叫做 BQ25882 它是TI 新推出的一颗boost 升压充电 它的应用场景是针对2节电池串联 然后 有一个5V的USB输入的场景 它支持2A充电 2节电池 能实现我们刚刚说到的Power pass电源路径管理功能 然后 它的精度也可以保证0.5% 0.5%的精度相比于市面上可能大多1%精度 可以使我们的电池寿命得到很好的延长 然后 它的I2C 控制可以灵活地去设置 我们想要的电流 电压等等 它的ADC也可以给到必要的电压和电流的精准信息 这个 OTG功能指的是我们普通的5V进入 通过一个boost 升压给2节电池充电 我们集成的OTG功能指的是 当USB 不插入的时候 这2节电池可以通过boost的这两个MOS 反向回去Buck 然后 可以得到一个5V的输出 这个5V的输出 可以给用户比如说 给系统 有5V的一个电容轨 或者 也可以做向外放电charge out 这样的一个功能 它也带我们刚刚说的ICO功能 下面一个device 叫Bq25606 它是TI推出的一颗超级简单的Charger 它不带I2C控制 不需要设置软件 然后 它的外围电路也非常简单 就需要必要的 像电流 充电电流的设置 电池的电压设置 以及 像这个 限流的设置 然后 它的应用场景适合于3A 以内的 这样一个单节电池的充电 在电池界 我们有一个概念叫做智能电池 它主要包括3方面的概念 第一个smart charging 其实 我们的电池当它在不断的使用过程中 在老化的过程中 它的最佳的充电点 电压 电流点 是不一样的 我们的smart charge 可以做到 根据电池在不停的使用过程中 随着它的老化 我们可以自动改变它的电压 电流等等 然后 第二个功能是指 电池容量和健康状况的报告 它可以精准的测量我们电池的容量 同时 也可以给到我们客户 像电压 电流 温度 等等信息 都可以基于此 来做到他们想要的算法 比如说 去预测电池是否鼓包等等 第三个概念是称为黑盒子 它指的是 电池如果老化 漏液等等 不能使用的情况 我们的客户可以从背景中去读取 电池是否曾经经历过 不太正常的一些使用状况 比如说 用户有没有 把它放在我们要求的温度范围以外 过温的状态去使用 或者说 有没有用一个很高的adapter来给它充电 等等 这一页 我们非常详细地给到了 像SOC 报告 和电池安全方面 我们的gauge 产品可以带给智能音响的好处 传统的 比较经典的 基于电压来 得到我们的SOC报告 它在Smart Speaker 里面用会有一个缺陷 就是 我们的speaker其实 是有动态的一个负载 它在电流拉的很大的时候 电池的电压会突然下降 当恢复正常的播放的时候 电压又会回升 仅仅是基于电压来测量我们的电池容量 就会非常地不可靠 但是使用我们的gauge 就可以保证 在任何状态范围下 我们的电池测量都会非常准确 第二个点 基于电池安全 我们给到 电压 电流和温度这些数据 长时间使用的历史数据 都给到用户 然后 大家可以基于此来 做很多的算法 比如说 来预测是否会鼓包 是否老化的程度 等等 bq28z610是我们想主要推荐给大家的 一颗gauge 它集成了我们的电池计量功能 然后 也集成电池保护功能 它适用于1节电池 和2节电池 它的精度可以做到±1毫伏 同时大家看到 在多节电池中的时候 它可以做cell balancing电池均衡的这样一个效果 因为 它集成的gauge 和protector 可以 使得我们的产品实现一个更好的小型化 它的sensor 的电阻可以做到1毫欧 从而支持我们快充的应用环境 好 接下来 我们会带来TI在DC-DC 就是升压/降压以及LDO方案 方面的介绍 升压方案在speaker 里面有哪些应用的场景呢？ 我们总结下来会有这几个点 带电池的产品在给供供电 需要一个 高压 这时候需要一个升压的环节 给 PMIC供电 需要一个升压 如果你的产品需要一个电源放电的功能 你需要一个5V的对外输出 这时候也 可以通过battery 然后升压到5V LED driver 如果自己不集成升压部分的话 它也需要用升压 来给到一个更高的电压 来给LED Driver 供电 这里 TI 针对Audio 做了一个很有价值的参考设计 它叫做包膜跟踪技术 它具体内容就是 根据我们音频信号的变化可以 实时调整我们升压的输出电压 从这个框图可以看到 它采集 音频信号 给到boost 的FeedBack 的 Pin 脚 最后 做的好处是 有点像Class DAC 功放这样一个概念 它可以调整功放的输入电压 从而使得我们功放的运行效率得到提升 从而延长整个产品的使用寿命 所以 这个参考设计就非常有效 它的编号是PMP9774 大家如果有兴趣的话可以到网上去 进行下载和浏览 通过这三幅图也可以看到 我们这个参考设计可以带给产品的一个很好的效果 随着音频 功放信号的变化 我们boost的输出电压也随之发生变化 通过这张图 可以看到 它是一个 线性的跟踪状态 最后实现的效果是 如果我们的boost是 恒定在12V的一个输出 它的效率表现是红色这条 而如果我们采用的这个包膜跟踪技术参考设计 它的效率是蓝色这一条 大多时候我们的功放是工作在比较低的一个功率点上 这时候 我们的整体效率可以提升50%左右 效果是非常的明显 然后 我们一起来看一下一些经典的device 这颗TPS61088 是在audio里面 已经非常出名的一颗物料了 它集成我们的MOS fed是一个同步的 升压方案 它可以最大做到10A的电流 它的效率可以到90%以上 而且频率也是可调的 大多数时候 一个 boost是可以完全适用于 对功放的供电的 但是如果您的智能音响想做的更高端 把输出功率做的更大 那这时候一个boost满足不了 用户可能会用2个boost 去进行并联 得到最终的一个效果 但是这时候 我们会更建议大家用这颗TI的controller 方案 它可以相比boost实现更高的功率 相比用两颗boost 去并联 一个controller 只有一个IC 也只有一个电感 整个包膜方案可以做到更好的成本 它的频率也是可调的 而且也是属于同步控制 可以实现很高的一个效率 接下来是 降压方案 降压方案在我们的智能音响里面 有哪些应用场景呢？ 比如说 当adapter 是高压的时候 你需要通过一个降压来得到 比如说 5V 这样一个电源轨 当你是一个2节电池的时候 其实你也需要一个降压去得到这样一个电容轨等等 如果你的产品 还会有一个频的话 整个 total 电流可能会达到 4-5A TI 会有像TPS 56 这样一个系列 有1A - 5A的全电流范围的产品 可以很好地给到智能音响的降压方案 通过这一页 大家可以很清晰的看到 TI在智能音响领域我们 Buck 方案的一个分布 上面部分 它的供电范围是4.5V-17V 就是说 17伏以下的电源输入的时候我们建议用 上面这部分的方案 像TPS56系列 它有 1A/2A的part 有5632 做到3A 有5642 做到4A 和5A 如果是更高压的输入 那我们会推荐用下面这部分TPS54系列 它同样也有2A/3A 不同的part 这部分是我们之前的物料 现在我们推出了新的工艺 LBC9 在这个新的工艺下 我们也做了一些新的device 他们有 更好的性能 或是高的性价比 像这个TPS563240 它在原基础上 把频率提高了1.4兆 从而使我们整个的[inaudible]体积得到减小 像电感 电容也得到了减小 像TPS563231 它是在原有的基础之上 实现了一个更高性价比价格可以做的更好的一个方案 这2颗现在都已经sample 了 大家感兴趣的话以到网上去浏览 下载 然后 进行这样一个设计 这一页我们列出来 方便大家进行选型 在2-3节电池这样的应用 还有 17V以下 这样的adapter 输入的情况下 我们建议用这些方案 其中我们给到了高性价比的 TPS56X201/8系列 还有我们新的方案 实现更高的频率 从而有更高的性能 同时size 也能得到减小的 这样一个系列 还有在5V电源轨上 我们会推荐TLV62568 62569 1A 2A 3A这样一个buck 方案 如果你的adapter 具有更高的高压 我们会推荐TPS54这样一个系列 然后 下面的这个 TPS63710 它可以 提供负压的供电 从而给到如果你有运放这样的方案的一个供电 我们来一起看一下这颗新的物料 TPS563249 它是4.5V-17V的供电 它的内阻是70mΩ/30mΩ 所谓D-CAP3 Mode 是指的是 我们在采集输出的时候呢 它其实会有一个纹波 替它的[inaudible]在内部做了一个采样的滤波电路 这样做的好处 可以使得我们最后 状态响应可以更好 同时精度 也可以更高 然后它的频率提高到1.4兆 从而让我们的产品 能够用更少的电感 更小的电容 使整个体积得到减小 因为D-CAP3 mode 的存在它的精度可以做到1% 还值得一提的是 这个新的物料 和我们以前的TPS56 甚至是高压的TPS54系列 完全的pin to pin 兼容 可以很方便的应用到我们之前的产品上 这是一颗想推荐给大家的LDO 它有超低功耗 精简值是1微安 同时它的尺寸也非常小 最后我们介绍一下一个非常有趣的环节 就是 LED DRIVER 可以看到市面上比较流行的产品 无论是 你想做炫酷的这样的LED环 或者是你想加一个屏来实现 很好的交互效果 这时候都会用到TI的 LED driver 方案 这张图可以方便大家 对LED driver 进行一个选型 它的左边部分适用于 我们的电源轨 由LDO/DCDC直接过来 给LED供电的场景 这时候 LED driver 内部不需要集成升压功能 我们会推荐大家使用 左边部分的这些产品 其中LP50系列是我们新推出的产品想特别推荐给大家 它从9个channel 到36个channel 一共6个产品 然后 它的驱动电流可以做到25.5mA 然后 右边部分适用于 到电池直接供电的场景 大家知道当电池放压 放到很多的时候 它的电压显示是非常低的 这时候需要LED driver内部集成一个电荷泵 或者 一个boost 同时我们对不同的channel 要求和 不同的封装呢 都进行了一个device 的划分 所有的 带树叶的产品呢 都是 我们具有Low Iq低的均摊电流 这样的 特点的产品 然后 带引擎浮标的 是我们的 叫action control 的技术 它可以节省我们 MCU的资源 接下来 我们一起看一下 LP50系列这颗device 的调光效果 可以看到它的调光非常地顺滑 而且比较细腻 那我们是怎样做到这个效果的呢 我们来看看 LP50系列刚刚说它有6个产品 分别支持不同channel的要求 它不同的设备之间 以及 同一个设备 不同的channel之间 它的误差可以控制在±5%以内 同时它有一个很低的静态功耗的特点 在shutdown mode 之下只有一个微安 它集成了12位的29Khz的PWM发生器 每一个channel 都配备这样的调光功能 从而 使我们 无论是混色 我们的调光 都会显得非常的顺滑 这颗物料特别推荐给大家 大家如果想做一些酷炫的灯光效果 可以用这颗物料去做一些尝试 我们官网上有相应的EVM 这颗LM36923H 是TI用于带屏 这样一种smart speaker的方案 这颗料的效率最高可以做到90%以上 从而可以延长电池使用寿命 续航时间 它的精度可以做到3% 同时它可以支持1-3串 它做的封装也非常小 1.25 x 1.65 mm 的封装