通用串行總線(xiàn)技術(shù)（USB OTG）提供電源管理最佳方案

引言

USB驅動(dòng)的電子產(chǎn)品市場(chǎng)已出現爆炸性增長(cháng)，通用串行總線(xiàn)On-the-Go(USB OTG)技術(shù)的出現為人們的連網(wǎng)生活提供了更多選擇。USB OTG允許一個(gè)設備既可充當外部設備，也可充當主機。作為主機時(shí)，OTG設備可與其他外部設備通信，并為其他外部設備供電。例如，用戶(hù)可以方便地將一部照相機或智能電話(huà)直接連到一臺打印機上，而無(wú)需PC作為中間設備。然而，將USB OTG技術(shù)集成到便攜式設備中存在一定的設計挑戰，包括更高功率工作、熱限制和需滿(mǎn)足不斷提高的系統復雜性。這些設備系統力求在電池長(cháng)時(shí)間運行、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 設計挑戰

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)品的負載供電，這帶來(lái)了巨大的設計挑戰。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。傳統上，設計師一直用MOSFET、運算放大器等分立組件執行這一功能。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載電壓瞬態(tài)。除非得到解決，否則這些問(wèn)題可能導致系統可靠性出現問(wèn)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(kāi)關(guān)電容電壓轉換器(充電泵)為外部設備供電。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(hù)要求能夠提供高達500mA的電流，同時(shí)充當USB OTG主機。為最大限度地延長(cháng)電池運行時(shí)間，同時(shí)又為大功率外部設備供電，比之充電泵，用戶(hù)更想要的是一個(gè)基于電感器的、高效率的開(kāi)關(guān)穩壓器。為防止電池過(guò)度放電，一個(gè)基于電感器的OTG升壓型穩壓器必須具有輸出斷接能力。理想情況下，OTG電源還應該具有抗短路故障能力和準確的輸出電流限制。

毫無(wú)疑問(wèn)，USB技術(shù)提高了電子設備的便利性：用戶(hù)可以通過(guò)執行必要數據傳送的同一個(gè)USB端口給設備充電，從而無(wú)需單獨的交流適配器。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)為設備供電、給電池充電并最大限度地減少熱量產(chǎn)生。

總結一下，系統設計師的關(guān)鍵設計挑戰包括：高效率地升高電池電壓以提供5V/500mA USB OTG電源;管理包括電池和負載在內的多個(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升壓型轉換器等其他最佳集成式功能構件，簡(jiǎn)單方便地克服了上述設計挑戰。事實(shí)上，在很多應用中，一個(gè)這樣的集成式電源管理器IC就可滿(mǎn)足所有的核心系統電源需求。這之所以成為可能，是因為采取了不同的IC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。

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)先向系統負載供電。在一個(gè)傳統的電池饋送型充電系統中，在給一個(gè)深度放電的電池充電時(shí)，用戶(hù)必須等待，直到有足夠的電壓為系統供電。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(chēng)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，包括線(xiàn)性和開(kāi)關(guān)拓撲產(chǎn)品。線(xiàn)性電源通路拓撲的好處包括電池跟蹤自適應輸出控制能力，它最大限度地降低了在線(xiàn)性電池充電器單元中損失的功率，并提高了向系統負載供電的效率。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)提高了向系統負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)拓撲提供了卓越的熱特性。開(kāi)關(guān)拓撲的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是，在電池電壓低時(shí)(2.9V)，能夠從一個(gè)標準的USB端口(約2.3W)抽取高達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)系列面向基于單節鋰離子/聚合物電池且需要USB OTG功能的應用，這包括媒體播放器、個(gè)人導航設備、數碼相機、PDA和智能電話(huà)。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(OVP)、一個(gè)獨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)現優(yōu)化的電池運行時(shí)間。

圖1 LTC4160的簡(jiǎn)化應用電路

LTC4160/-1在VBUS和VOUT之間具有雙向開(kāi)關(guān)穩壓器。在降壓模式下，該開(kāi)關(guān)穩壓器可以從USB端口為應用供電，并給電池充電。該開(kāi)關(guān)穩壓器具有電池跟蹤自適應輸出控制功能，這通過(guò)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功率都轉換成充電電流，從而用一個(gè)500mA限制的USB電源實(shí)現了高達600mA的充電電流或高達700mA的系統負載電流(見(jiàn)圖2)?？梢詮慕涣鬟m配器獲得高達1.2A的充電電流，該電流可以通過(guò)編程設定。

圖2 LTC4160 USB充電電流能力

在升壓模式下，就USB OTG應用而言，開(kāi)關(guān)穩壓器可從VOUT獲得功率，以產(chǎn)生5V電壓并向VBUS提供高達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(guò)理想二極管從電池提供。圖3所示為詳細的電源通路方塊圖。這個(gè)處于升壓模式的開(kāi)關(guān)穩壓器具有高效轉換、輸出斷接、短路故障保護和準確的電流限制能力。這允許便攜式設備或USB外部設備充當主機，并為其他外部設備供電。

圖3 LTC4160電源通路方塊圖-USB OTG

2.2 過(guò)壓保護

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)現了自我保護，可免于因疏忽給VBUS加上過(guò)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68V)將決定最大安全過(guò)壓幅度。

最后，LTC4160/-1具自動(dòng)負載優(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)也確保系統負載供電。當輸入電源受限或不可用時(shí)，一個(gè)內部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載的低損耗電源通路。LTC4160/-1獨立電池充電器具有自主工作能力，這簡(jiǎn)化了設計，而且無(wú)需外部微處理器產(chǎn)生充電終止信號。為節省電池能量，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(kāi)關(guān)電源管理器相比是一個(gè)極大的改進(jìn)。

3 結語(yǔ)

USB供電的電子設備市場(chǎng)已出現爆炸性增長(cháng)，而USB OTG技術(shù)的出現使USB的應用范圍超出了PC領(lǐng)域。USB OTG為移動(dòng)應用而定制，通過(guò)在PC不存在時(shí)允許兩個(gè)設備之間直接的點(diǎn)對點(diǎn)通信和連接性，簡(jiǎn)化了數據交換。這使便攜式設備既可以充當外部設備，又可充當主機，從而能為其他外部設備供電。系統設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(jiǎn)單的解決方案實(shí)現新的性能水平。凌力爾特公司不斷擴大的緊湊型線(xiàn)性和開(kāi)關(guān)電源管理器IC系列使產(chǎn)品設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(kāi)關(guān)電源管理器、過(guò)壓保護和緊湊的尺寸等特點(diǎn)。該IC也為最終用戶(hù)帶來(lái)了好處，包括USB OTG的便利性、充電、在電池沒(méi)電時(shí)即刻向系統供電、更高的可靠性、更長(cháng)的電池運行時(shí)間以及更快的充電時(shí)間。