基于新型ASSP LTC3455的硬盤(pán)MP3電源設計

　　MP3播放機的產(chǎn)量已接近3,000萬(wàn)部，其中50%是硬盤(pán)(HDD)MP3播放機。MP3播放機的電源供應通常來(lái)自于A(yíng)C適配器、USB線(xiàn)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(pán)MP3播放機市場(chǎng)快速成長(cháng)的主要動(dòng)力，來(lái)自于蘋(píng)果iPod與iPod迷你型硬盤(pán)MP3的巨大成功，這兩款產(chǎn)品在4～40GB的存儲范圍內均具有多種硬盤(pán)選擇。這些MP3用微型硬盤(pán)的盤(pán)片直徑大多不足2英寸。例如，東芝的硬盤(pán)在直徑僅為1.8英寸的單一盤(pán)片上具有30GB的容量；日立的微型硬盤(pán)則在直徑僅1英寸的單一盤(pán)片上具有4GB的容量。

　　不論哪種硬盤(pán)驅動(dòng)器在3.3V下正常運行時(shí)，僅需要大約200mA的電流供應。然而在其加速轉動(dòng)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轉換器時(shí)，常會(huì )碰到這樣的挑戰。

　　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(lái)實(shí)現硬盤(pán)MP3播放機的電源管理與控制，但隨之而來(lái)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)大的系統問(wèn)題。

　　大部分MP3播放機已經(jīng)采用專(zhuān)用集成電路(ASIC)來(lái)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(jiàn)，因為只需采用單一器件，就可滿(mǎn)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(guò)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(kāi)發(fā)周期通常很長(cháng)，在要求設計周期短而且動(dòng)態(tài)變化的今天，這一問(wèn)題變得越來(lái)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(jiàn)。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(chǎng)商生產(chǎn)的MP3播放機千差萬(wàn)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(zhuān)用標準產(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(wú)縫管理AC適配器、USB線(xiàn)纜、鋰離子電池之間的電源供應，并滿(mǎn)足USB電源標準。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(lái)充當低電池電量比較器或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部的多個(gè)功能模塊，其兩個(gè)片上降壓轉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轉換器的開(kāi)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。在這些系統中，外部電源不直接為負載供電。相反，電池通過(guò)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(shí)，對負載的供電就會(huì )延遲。因為電源不會(huì )從電池獲得，直至在電池達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，就能即刻對便攜式設備上電。此外，芯片還可將負載沒(méi)有使用的電源用來(lái)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(cháng)了應用的有效運行時(shí)間，并加速了通過(guò)USB線(xiàn)纜的充電。該電源管理技術(shù)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(gè)不必要的電源轉換階段(即電池充電階段)。

圖2：LTC3455具3.3V輸出，而電流增至1.2A

　　為加速轉動(dòng)的硬盤(pán)提供3.3V電壓和1.2A電流

　　LTC3455的內部電流限為900mA，開(kāi)關(guān)2(圖2所示SW2)通常提供一個(gè)3.3V/600mA的輸出。這種電流量對閃存MP3播放機已經(jīng)足夠，但對硬盤(pán)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(guò)采用LTC3455，在得到3.3V輸出電壓時(shí)得到更高的電流。通過(guò)增加一個(gè)微型SOT-23 PMOS FET，和充當LDO(見(jiàn)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(pán)片啟動(dòng)時(shí)所需要的峰值電流。

　　開(kāi)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%) 。當負載電流低至開(kāi)關(guān)2的電流范圍內時(shí)，例如當硬盤(pán)的盤(pán)片已經(jīng)轉動(dòng)后，LDO被完全關(guān)閉。然而，當負載電流超過(guò)開(kāi)關(guān)2提供的范圍，如當硬盤(pán)的盤(pán)片從靜止狀態(tài)進(jìn)入到加速轉動(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3.3V輸出電流從0.5A升到1.2A時(shí)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(jìn)過(guò)程中的3.3V瞬態(tài)響應。

　　總結

　　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(shí)，充電電流會(huì )自動(dòng)下降，從而確保不會(huì )超過(guò)USB的電流限。最后，芯片的電池充電器采用了一個(gè)熱調節環(huán)，以確保電池以最大速率充電時(shí)，無(wú)需擔心集成電路會(huì )過(guò)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束計時(shí)器等功能。