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(dòng)的電子產(chǎn)品市場(chǎng)已出現(xiàn)爆炸性增長(zhǎng)，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。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(tái)打印機(jī)上，而無(wú)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(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。

1 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(duì)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(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、高效率的開關(guān)穩(wěn)壓器。為防止電池過度放電，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，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(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，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。

2 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。

2.1 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(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，為開關(guān)拓?fù)涮峁┝俗吭降臒崽匦?。開關(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功能的雙向開關(guān)電源管理器、輸入過壓保護(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

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(gè)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(wú)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(gè)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(gè)N溝道MOSFET和一個(gè)6.2kW電阻器這樣兩個(gè)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(dòng)負(fù)載優(yōu)先處理的PowerPath控制可無(wú)縫地管理電源通路，并提供“即時(shí)接通”工作，甚至在電池深度放電時(shí)也確保系統(tǒng)負(fù)載供電。當(dāng)輸入電源受限或不可用時(shí)，一個(gè)內(nèi)部180mΩ理想二極管加上一個(gè)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(jiǎn)化了設(shè)計(jì)，而且無(wú)需外部微處理器產(chǎn)生充電終止信號(hào)。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(shí)(理想二極管模式，無(wú)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(gè)極大的改進(jìn)。

3 結(jié)語(yǔ)

USB供電的電子設(shè)備市場(chǎng)已出現(xiàn)爆炸性增長(zhǎng)，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(dòng)應(yīng)用而定制，通過在PC不存在時(shí)允許兩個(gè)設(shè)備之間直接的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信和連接性，簡(jiǎn)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(jì)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(jiǎn)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(jì)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(shí)即刻向系統(tǒng)供電、更高的可靠性、更長(zhǎng)的電池運(yùn)行時(shí)間以及更快的充電時(shí)間。