基于LTC3455的硬盤MP3電源設計

MP3播放機的產(chǎn)量已接近3,000萬部，其中50%是硬盤(HDD)MP3播放機。MP3播放機的電源供應通常來自于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關鍵的技術難題。

硬盤MP3播放機市場快速成長的主要動力，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)動器在3.3V下正常運行時，僅需要大約200mA的電流供應。然而在其加速轉(zhuǎn)動期間，峰值電流卻可能高達1.2A。設計工程師在設計寬工作電流范圍的DC/DC轉(zhuǎn)換器時，常會碰到這樣的挑戰(zhàn)。

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

大部分MP3播放機已經(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，以及如真正輸出斷接和精確USB電流限等保護功能的要求。采用這種方法的原因顯而易見，因為只需采用單一器件，就可滿足電源管理的所有需求。

圖1：LTC3455的簡化框圖。

可惜的是，這種方法同樣也有缺點。首先，ASIC是通過特定的晶圓制造工藝制造，因此難以為各項功能而使性能最優(yōu)化。其次，ASIC的定義和開發(fā)周期通常很長，在要求設計周期短而且動態(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需要用上一年半時間的情況并不罕見。而在此期間，某一產(chǎn)品的設計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播放機千差萬別，但在特性和功能上還是具有一定的共同點，因此可以采用專用標準產(chǎn)品(ASSP)，而不會像用單一晶圓工藝生產(chǎn)的集成電路那樣，對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用的功能集成趨勢。

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，并滿足USB電源標準。此外，它還具有一個全功能鋰離子充電器和兩個高效的同步降壓轉(zhuǎn)換器。其中，鋰離子充電器能提供高達800mA的充電電流；而同步降壓轉(zhuǎn)換器則能產(chǎn)生大部分USB外設所要求的低電壓軌。不僅如此，LTC3455還為微處理器提供電源導通復位信號、為存儲卡供電的熱插撥(HotSwap)輸出，也適合用來充當?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簡化方框圖可看到其內(nèi)部的多個功能模塊，其兩個片上降壓轉(zhuǎn)換器均可在電流模式控制下運行。在引腳可選的突發(fā)模式下，運行效率高達96%。這些DC/DC轉(zhuǎn)換器的開關頻率為固定的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載供電。相反，電池通過適配器或USB端口充電，然后再為負載提供電源。當電池被深度放電時，對負載的供電就會延遲。因為電源不會從電池獲得，直至在電池達到所要求的最低電量時才能供電。

有了LTC3455，這種延遲就可以消除，只要AC或USB電源一接通，就能即刻對便攜式設備上電。此外，芯片還可將負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載供電，這兩大優(yōu)勢延長了應用的有效運行時間，并加速了通過USB線纜的充電。該電源管理技術的另一大優(yōu)勢則是不論采用AC或是USB電源，效率都提高了。正因為如此，也就消除了一個不必要的電源轉(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2(圖2所示SW2)通常提供一個3.3V/600mA的輸出。這種電流量對閃存MP3播放機已經(jīng)足夠，但對硬盤播放機就不夠，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輸出電壓時得到更高的電流。通過增加一個微型SOT-23 PMOS FET，和充當LDO(見AO引腳)的增益模塊，就可在得到3.3V輸出電壓的同時得到1.2A的輸出電流，這也是盤片啟動時所需要的峰值電流。

開關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%)。當負載電流低至開關2的電流范圍內(nèi)時，例如當硬盤的盤片已經(jīng)轉(zhuǎn)動后，LDO被完全關閉。然而，當負載電流超過開關2提供的范圍，如當硬盤的盤片從靜止狀態(tài)進入到加速轉(zhuǎn)動狀態(tài)時，3.3V輸出會輕微下降，LDO將提供所需的額外電流。盡管當3.3V輸出電流從0.5A升到1.2A時瞬態(tài)響應下降了，但是增加更多的輸出電容，可以改善在大電流負載步進過程中的3.3V瞬態(tài)響應。

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USB電流增加時，充電電流會自動下降，從而確保不會超過USB的電流限。最后，芯片的電池充電器采用了一個熱調(diào)節(jié)環(huán)，以確保電池以最大速率充電時，無需擔心集成電路會過熱。充電器同時還具有引腳可編程的最大充電電流和充電結(jié)束計時器等功能。