基于LTC3455的硬盤MP3電源設(shè)計(jì)

MP3播放機(jī)的產(chǎn)量已接近3,000萬部，其中50%是硬盤(HDD)MP3播放機(jī)。MP3播放機(jī)的電源供應(yīng)通常來自于AC適配器、USB線纜或鋰離子電池。然而，管理這些不同電源之間的電源通路控制是一個(gè)關(guān)鍵的技術(shù)難題。

硬盤MP3播放機(jī)市場(chǎng)快速成長(zhǎng)的主要?jiǎng)恿?，來自于蘋果iPod與iPod迷你型硬盤MP3的巨大成功，這兩款產(chǎn)品在4～40GB的存儲(chǔ)范圍內(nèi)均具有多種硬盤選擇。這些MP3用微型硬盤的盤片直徑大多不足2英寸。例如，東芝的硬盤在直徑僅為1.8英寸的單一盤片上具有30GB的容量；日立的微型硬盤則在直徑僅1英寸的單一盤片上具有4GB的容量。

不論哪種硬盤驅(qū)動(dòng)器在3.3V下正常運(yùn)行時(shí)，僅需要大約200mA的電流供應(yīng)。然而在其加速轉(zhuǎn)動(dòng)期間，峰值電流卻可能高達(dá)1.2A。設(shè)計(jì)工程師在設(shè)計(jì)寬工作電流范圍的DC/DC轉(zhuǎn)換器時(shí)，常會(huì)碰到這樣的挑戰(zhàn)。

直到最近，工程師已嘗試分別采用一組MOSFET、運(yùn)算放大器等諸多方法來實(shí)現(xiàn)硬盤MP3播放機(jī)的電源管理與控制，但隨之而來的熱插拔、大浪涌電流等難題同樣非常棘手，如果解決不好會(huì)引發(fā)大的系統(tǒng)問題。

大部分MP3播放機(jī)已經(jīng)采用專用集成電路(ASIC)來解決電池充電、電源路徑控制、提供多重電壓供應(yīng)，以及如真正輸出斷接和精確USB電流限等保護(hù)功能的要求。采用這種方法的原因顯而易見，因?yàn)橹恍璨捎脝我黄骷?，就可滿足電源管理的所有需求。

圖1：LTC3455的簡(jiǎn)化框圖。

可惜的是，這種方法同樣也有缺點(diǎn)。首先，ASIC是通過特定的晶圓制造工藝制造，因此難以為各項(xiàng)功能而使性能最優(yōu)化。其次，ASIC的定義和開發(fā)周期通常很長(zhǎng)，在要求設(shè)計(jì)周期短而且動(dòng)態(tài)變化的今天，這一問題變得越來越重要。從概念到出貨，電源管理ASIC需要用上一年半時(shí)間的情況并不罕見。而在此期間，某一產(chǎn)品的設(shè)計(jì)需求可能已變化了三次之上。

采用新的ASSP消除充電延遲

雖然不同廠商生產(chǎn)的MP3播放機(jī)千差萬別，但在特性和功能上還是具有一定的共同點(diǎn)，因此可以采用專用標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品(ASSP)，而不會(huì)像用單一晶圓工藝生產(chǎn)的集成電路那樣，對(duì)任何常用性能造成影響。Linear公司最近推出的LTC3455就代表了這一面向應(yīng)用的功能集成趨勢(shì)。

采用4×4mm QFN封裝的LTC3455可以無縫管理AC適配器、USB線纜、鋰離子電池之間的電源供應(yīng)，并滿足USB電源標(biāo)準(zhǔn)。此外，它還具有一個(gè)全功能鋰離子充電器和兩個(gè)高效的同步降壓轉(zhuǎn)換器。其中，鋰離子充電器能提供高達(dá)800mA的充電電流；而同步降壓轉(zhuǎn)換器則能產(chǎn)生大部分USB外設(shè)所要求的低電壓軌。不僅如此，LTC3455還為微處理器提供電源導(dǎo)通復(fù)位信號(hào)、為存儲(chǔ)卡供電的熱插撥(HotSwap)輸出，也適合用來充當(dāng)?shù)碗姵仉娏勘容^器或LDO控制器的備用增益部件。

從圖1的LTC3455簡(jiǎn)化方框圖可看到其內(nèi)部的多個(gè)功能模塊，其兩個(gè)片上降壓轉(zhuǎn)換器均可在電流模式控制下運(yùn)行。在引腳可選的突發(fā)模式下，運(yùn)行效率高達(dá)96%。這些DC/DC轉(zhuǎn)換器的開關(guān)頻率為固定的1.5MHz，因此可以采用非常小的外部電感器。

LTC3455的電源提供方式與現(xiàn)有的其它電池和電源管理集成電路不同，后者均為充電器饋送型系統(tǒng)。在這些系統(tǒng)中，外部電源不直接為負(fù)載供電。相反，電池通過適配器或USB端口充電，然后再為負(fù)載提供電源。當(dāng)電池被深度放電時(shí)，對(duì)負(fù)載的供電就會(huì)延遲。因?yàn)殡娫床粫?huì)從電池獲得，直至在電池達(dá)到所要求的最低電量時(shí)才能供電。

有了LTC3455，這種延遲就可以消除，只要AC或USB電源一接通，就能即刻對(duì)便攜式設(shè)備上電。此外，芯片還可將負(fù)載沒有使用的電源用來向電池充電。

消除充電延遲、同步電池充電與向負(fù)載供電，這兩大優(yōu)勢(shì)延長(zhǎng)了應(yīng)用的有效運(yùn)行時(shí)間，并加速了通過USB線纜的充電。該電源管理技術(shù)的另一大優(yōu)勢(shì)則是不論采用AC或是USB電源，效率都提高了。正因?yàn)槿绱?，也就消除了一個(gè)不必要的電源轉(zhuǎn)換階段(即電池充電階段)。

圖2：LTC3455具3.3V輸出，而電流增至1.2A

為加速轉(zhuǎn)動(dòng)的硬盤提供3.3V電壓和1.2A電流

LTC3455的內(nèi)部電流限為900mA，開關(guān)2(圖2所示SW2)通常提供一個(gè)3.3V/600mA的輸出。這種電流量對(duì)閃存MP3播放機(jī)已經(jīng)足夠，但對(duì)硬盤播放機(jī)就不夠，后者常需要1A以上的3.3V電源。

圖2顯示了如何通過采用LTC3455，在得到3.3V輸出電壓時(shí)得到更高的電流。通過增加一個(gè)微型SOT-23 PMOS FET，和充當(dāng)LDO(見AO引腳)的增益模塊，就可在得到3.3V輸出電壓的同時(shí)得到1.2A的輸出電流，這也是盤片啟動(dòng)時(shí)所需要的峰值電流。

開關(guān)2可編程為3.3V輸出電壓，而LDO也可編程為3.2V輸出電壓(低3%)。當(dāng)負(fù)載電流低至開關(guān)2的電流范圍內(nèi)時(shí)，例如當(dāng)硬盤的盤片已經(jīng)轉(zhuǎn)動(dòng)后，LDO被完全關(guān)閉。然而，當(dāng)負(fù)載電流超過開關(guān)2提供的范圍，如當(dāng)硬盤的盤片從靜止?fàn)顟B(tài)進(jìn)入到加速轉(zhuǎn)動(dòng)狀態(tài)時(shí)，3.3V輸出會(huì)輕微下降，LDO將提供所需的額外電流。盡管當(dāng)3.3V輸出電流從0.5A升到1.2A時(shí)瞬態(tài)響應(yīng)下降了，但是增加更多的輸出電容，可以改善在大電流負(fù)載步進(jìn)過程中的3.3V瞬態(tài)響應(yīng)。

總結(jié)

LTC3455還具有諸如精確的USB電流限等其它眾多性能。不同引腳選擇下，其電流限可以是500mA、100mA或停止模式。此外，當(dāng)USB電流增加時(shí)，充電電流會(huì)自動(dòng)下降，從而確保不會(huì)超過USB的電流限。最后，芯片的電池充電器采用了一個(gè)熱調(diào)節(jié)環(huán)，以確保電池以最大速率充電時(shí)，無需擔(dān)心集成電路會(huì)過熱。充電器同時(shí)還具有引腳可編程的最大充電電流和充電結(jié)束計(jì)時(shí)器等功能。