通用串行總線技術(shù)（USB OTG）提供電源管理最佳方案

引言

USB驅(qū)動的電子產(chǎn)品市場已出現(xiàn)爆炸性增長，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，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。例如，用戶可以方便地將一部照相機(jī)或智能電話直接連到一臺打印機(jī)上，而無需PC作為中間設(shè)備。然而，將USB OTG技術(shù)集成到便攜式設(shè)備中存在一定的設(shè)計挑戰(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)力求在電池長時間運(yùn)行、與多個電源的兼容性、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，并在一個小得多的占板面積上提供USB OTG功能，同時要比已有任何解決方案具有高得多的性能。

1 設(shè)計挑戰(zhàn)

自主管理多個輸入電源之間的電源通路，同時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，這帶來了巨大的設(shè)計挑戰(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，否則這些問題可能導(dǎo)致系統(tǒng)可靠性出現(xiàn)問題。

一般情況下，OTG解決方案 (尤其是對于100mA USB電源) 一直采用開關(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，越來越多的用戶要求能夠提供高達(dá)500mA的電流，同時充當(dāng)USB OTG主機(jī)。為最大限度地延長電池運(yùn)行時間，同時又為大功率外部設(shè)備供電，比之充電泵，用戶更想要的是一個基于電感器的、高效率的開關(guān)穩(wěn)壓器。為防止電池過度放電，一個基于電感器的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。

毫無疑問，USB技術(shù)提高了電子設(shè)備的便利性：用戶可以通過執(zhí)行必要數(shù)據(jù)傳送的同一個USB端口給設(shè)備充電，從而無需單獨(dú)的交流適配器。不過，這種便利性的代價很高。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)計師的關(guān)鍵設(shè)計挑戰(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。

2 一種新型簡單的解決方案

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，簡單方便地克服了上述設(shè)計挑戰(zhàn)。事實(shí)上，在很多應(yīng)用中，一個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開發(fā)方法，其集成水平既可以提供一個完整、緊湊的解決方案，又不會有任何性能折中。

2.1 PowerPath控制

PowerPath控制可自主和無縫地管理多個電源之間的電源通路，包括USB端口、交流適配器和電池，同時優(yōu)先向系統(tǒng)負(fù)載供電。在一個傳統(tǒng)的電池饋送型充電系統(tǒng)中，在給一個深度放電的電池充電時，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。開關(guān)模式電源通路技術(shù)保留了這些優(yōu)點(diǎn)，同時提高了向系統(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，這兩個特點(diǎn)尤其關(guān)鍵，為開關(guān)拓?fù)涮峁┝俗吭降臒崽匦?。開關(guān)拓?fù)涞牧硪粋€優(yōu)點(diǎn)是，在電池電壓低時(2.9V)，能夠從一個標(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功能的雙向開關(guān)電源管理器、輸入過壓保護(hù)(OVP)、一個獨(dú)立的電池充電器以及一個理想二極管和控制器，所有這些組件都包含在一個緊湊的超薄(0.55mm) 3mm×4mm UTQFN 封裝中(見圖1)。LTC4160-1提供4.1V電池浮動電壓，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)行時間。

圖1 LTC4160的簡化應(yīng)用電路

LTC4160/-1在VBUS和VOUT之間具有雙向開關(guān)穩(wěn)壓器。在降壓模式下，該開關(guān)穩(wěn)壓器可以從USB端口為應(yīng)用供電，并給電池充電。該開關(guān)穩(wěn)壓器具有電池跟蹤自適應(yīng)輸出控制功能，這通過保持輸出電壓高出電池電壓約300mV，極大地提高了電池充電器的效率。除了100mA和500mA的USB兼容輸入電流限制，就交流適配器輸入而言，LTC4160/-1的輸入電流還可以編程至高達(dá)1.2A。就快速充電而言，LTC4160/-1幾乎將從USB端口獲得的全部2.5W功率都轉(zhuǎn)換成充電電流，從而用一個500mA限制的USB電源實(shí)現(xiàn)了高達(dá)600mA的充電電流或高達(dá)700mA的系統(tǒng)負(fù)載電流(見圖2)?？梢詮慕涣鬟m配器獲得高達(dá)1.2A的充電電流，該電流可以通過編程設(shè)定。

圖2 LTC4160 USB充電電流能力

在升壓模式下，就USB OTG應(yīng)用而言，開關(guān)穩(wěn)壓器可從VOUT獲得功率，以產(chǎn)生5V電壓并向VBUS提供高達(dá)500mA的電流，而無需任何附加組件。在這種模式下，提供給VOUT的功率通過理想二極管從電池提供。圖3所示為詳細(xì)的電源通路方塊圖。這個處于升壓模式的開關(guān)穩(wěn)壓器具有高效轉(zhuǎn)換、輸出斷接、短路故障保護(hù)和準(zhǔn)確的電流限制能力。這允許便攜式設(shè)備或USB外部設(shè)備充當(dāng)主機(jī)，并為其他外部設(shè)備供電。

圖3 LTC4160電源通路方塊圖-USB OTG

2.2 過壓保護(hù)

LTC4160/-1僅用一個N溝道MOSFET和一個6.2kW電阻器這樣兩個外部組件，就實(shí)現(xiàn)了自我保護(hù)，可免于因疏忽給VBUS加上過大電壓而引起損壞。選擇的外部MOSFET及其有關(guān)的漏極擊穿電壓 (最大可達(dá)68V)將決定最大安全過壓幅度。

最后，LTC4160/-1具自動負(fù)載優(yōu)先處理的PowerPath控制可無縫地管理電源通路，并提供“即時接通”工作，甚至在電池深度放電時也確保系統(tǒng)負(fù)載供電。當(dāng)輸入電源受限或不可用時，一個內(nèi)部180mΩ理想二極管加上一個可選外部理想二極管控制器提供一條從電池到負(fù)載的低損耗電源通路。LTC4160/-1獨(dú)立電池充電器具有自主工作能力，這簡化了設(shè)計，而且無需外部微處理器產(chǎn)生充電終止信號。為節(jié)省電池能量，LTC4160/-1在暫停模式從電池吸取4mA電流，在電池供電時(理想二極管模式，無VBUS電源存在)吸取8mA電流，這與以前的開關(guān)電源管理器相比是一個極大的改進(jìn)。

3 結(jié)語

USB供電的電子設(shè)備市場已出現(xiàn)爆炸性增長，而USB OTG技術(shù)的出現(xiàn)使USB的應(yīng)用范圍超出了PC領(lǐng)域。USB OTG為移動應(yīng)用而定制，通過在PC不存在時允許兩個設(shè)備之間直接的點(diǎn)對點(diǎn)通信和連接性，簡化了數(shù)據(jù)交換。這使便攜式設(shè)備既可以充當(dāng)外部設(shè)備，又可充當(dāng)主機(jī)，從而能為其他外部設(shè)備供電。系統(tǒng)設(shè)計師不是利用分立的電源IC組件，而是可以使用新一代緊湊型電源管理器器件，這些器件集成了關(guān)鍵的電源管理功能，能以更小和更簡單的解決方案實(shí)現(xiàn)新的性能水平。凌力爾特公司不斷擴(kuò)大的緊湊型線性和開關(guān)電源管理器IC系列使產(chǎn)品設(shè)計師的工作變得容易多了。新的IC LTC4160/-1具有帶USB OTG升壓功能的開關(guān)電源管理器、過壓保護(hù)和緊湊的尺寸等特點(diǎn)。該IC也為最終用戶帶來了好處，包括USB OTG的便利性、充電、在電池沒電時即刻向系統(tǒng)供電、更高的可靠性、更長的電池運(yùn)行時間以及更快的充電時間。