具有USB OTG和過(guò)壓保護(hù)的緊湊型電源管理器的實(shí)現(xiàn)

前言

　　通用串行總線On-the-Go(USB OTG)技術(shù)的出現(xiàn)為人們的連網(wǎng)生活提供了更多選擇。USB OTG允許一個(gè)設(shè)備既可充當(dāng)外部設(shè)備，也可充當(dāng)主機(jī)。作為主機(jī)時(shí)，OTG設(shè)備可與其他外部設(shè)備通信，并為其他外部設(shè)備供電。將USB OTG技術(shù)集成到便攜式設(shè)備中存在一定的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)，包括更高功率工作、熱限制和需滿足不斷提高的系統(tǒng)復(fù)雜性。這些設(shè)備系統(tǒng)力求在電池長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行、與多個(gè)電源的兼容性、高功率密度、小尺寸和有效的熱量管理之間實(shí)現(xiàn)最佳平衡。而一直缺少的是電源管理器集成電路，以高效地為這些便攜式設(shè)備供電，并在一個(gè)小得多的占板面積上提供USB OTG功能，同時(shí)要比已有任何解決方案具有高得多的性能。

　　設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)

　　自主管理多個(gè)輸入電源之間的電源通路，同時(shí)最大限度地減少熱量產(chǎn)生并高效地為手持式產(chǎn)品的負(fù)載供電，這帶來(lái)了巨大的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)。幾乎所有便攜式電池供電產(chǎn)品都可由幾種低壓電源供電，如5V交流適配器、USB端口或鋰離子/聚合物電池。傳統(tǒng)上，設(shè)計(jì)師一直用MOSFET、運(yùn)算放大器等分立組件執(zhí)行這一功能。除尺寸方面的缺點(diǎn)，分立式解決方案必須處理由熱插拔引起的大浪涌電流和負(fù)載電壓瞬態(tài)。除非得到解決，否則這些問(wèn)題可能導(dǎo)致系統(tǒng)可靠性出現(xiàn)問(wèn)題。

　　一般情況下，OTG解決方案 (尤其是對(duì)于100mA USB電源) 一直采用開(kāi)關(guān)電容電壓轉(zhuǎn)換器(充電泵)為外部設(shè)備供電。充電泵簡(jiǎn)單、尺寸小、成本低，并由于固有的輸出斷接能力，可容許VBUS至GND短路。然而，越來(lái)越多的用戶要求能夠提供高達(dá)500mA的電流，同時(shí)充當(dāng)USB OTG主機(jī)。為最大限度地延長(zhǎng)電池運(yùn)行時(shí)間，同時(shí)又為大功率外部設(shè)備供電，比之充電泵，用戶更想要的是一個(gè)基于電感器的、高效率的開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器。為防止電池過(guò)度放電，一個(gè)基于電感器的OTG升壓型穩(wěn)壓器必須具有輸出斷接能力。理想情況下，OTG電源還應(yīng)該具有抗短路故障能力和準(zhǔn)確的輸出電流限制。

　　毫無(wú)疑問(wèn)，USB技術(shù)提高了電子設(shè)備的便利性：用戶可以通過(guò)執(zhí)行必要數(shù)據(jù)傳送的同一個(gè)USB端口給設(shè)備充電，從而無(wú)需單獨(dú)的交流適配器。不過(guò)，這種便利性的代價(jià)很高。2.5W(最大值)USB功率限制必須仔細(xì)管理。為優(yōu)化性能，USB 電源管理器必須盡可能高效地抽取2.5W功率，來(lái)為設(shè)備供電、給電池充電并最大限度地減少熱量產(chǎn)生。

　　總結(jié)一下，系統(tǒng)設(shè)計(jì)師的關(guān)鍵設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)包括：高效率地升高電池電壓以提供5V/500mA USB OTG電源;管理包括電池和負(fù)載在內(nèi)的多個(gè)電源之間的電源通路;最大限度地提高從USB端口(可提供2.5W)給負(fù)載和電池的功率;最大限度地降低作為熱量消耗的功率;最大限度地減小解決方案的占板面積和高度。

　　一種新型簡(jiǎn)單的解決方案

　　凌力爾特公司的電源管理IC具有電源通路(PowerPath)控制和諸如USB OTG升壓型轉(zhuǎn)換器等其他最佳集成式功能構(gòu)件，簡(jiǎn)單方便地克服了上述設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)。事實(shí)上，在很多應(yīng)用中，一個(gè)這樣的集成式電源管理器IC就可滿足所有的核心系統(tǒng)電源需求。這之所以成為可能，是因?yàn)椴扇×瞬煌腎C開(kāi)發(fā)方法，其集成水平既可以提供一個(gè)完整、緊湊的解決方案，又不會(huì)有任何性能折中。

　　PowerPath控制

　　PowerPath控制可自主和無(wú)縫地管理多個(gè)電源之間的電源通路，包括USB端口、交流適配器和電池，同時(shí)優(yōu)先向系統(tǒng)負(fù)載供電。在一個(gè)傳統(tǒng)的電池饋送型充電系統(tǒng)中，在給一個(gè)深度放電的電池充電時(shí)，用戶必須等待，直到有足夠的電壓為系統(tǒng)供電。相反， PowerPath控制允許最終產(chǎn)品一插電立即工作，而不管電池充電狀態(tài)，這通常稱為“即時(shí)接通”工作。PowerPath控制功能可以在很多凌力爾特公司的產(chǎn)品中發(fā)現(xiàn)，包括線性和開(kāi)關(guān)拓?fù)洚a(chǎn)品。線性電源通路拓?fù)涞暮锰幇姵馗欁赃m應(yīng)輸出控制能力，它最大限度地降低了在線性電池充電器單元中損失的功率，并提高了向系統(tǒng)負(fù)載供電的效率。開(kāi)關(guān)模式電源通路技術(shù)保留了這些優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)提高了向系統(tǒng)負(fù)載和電池供電的效率。在電池電壓低或輸入功率受限(即USB)時(shí)，這兩個(gè)特點(diǎn)尤其關(guān)鍵，為開(kāi)關(guān)拓?fù)涮峁┝俗吭降臒崽匦?。開(kāi)關(guān)拓?fù)涞牧硪粋€(gè)優(yōu)點(diǎn)是，在電池電壓低時(shí)(2.9V)，能夠從一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的USB端口(約2.3W)抽取高達(dá)600mA的電池充電電流。

　　LTC4160和LTC4160-1是凌力爾特公司電源管理器IC系列的最新成員，這個(gè)系列面向基于單節(jié)鋰離子/聚合物電池且需要USB OTG功能的應(yīng)用，這包括媒體播放器、個(gè)人導(dǎo)航設(shè)備、數(shù)碼相機(jī)、PDA和智能電話。LTC4160/-1具有帶USB OTG功能的雙向開(kāi)關(guān)電源管理器、輸入過(guò)壓保護(hù)(OVP)、一個(gè)獨(dú)立的電池充電器以及一個(gè)理想二極管和控制器，所有這些組件都包含在一個(gè)緊湊的超薄(0.55mm) 3mm×4mm UTQFN 封裝中(見(jiàn)圖1)。LTC4160-1提供4.1V電池浮動(dòng)電壓，允許高溫安全容限，而LTC4160具有4.2V最終充電電壓，以實(shí)現(xiàn)優(yōu)化的電池運(yùn)行時(shí)間。

　　圖1 LTC4160的簡(jiǎn)化應(yīng)用電路