具有USB OTG和过压保护的紧凑型电源管理器的实现 - 全文

　　前言

　　通用串行总线On-the-Go(USB OTG)技术的出现为人们的连网生活提供了更多选择。USB OTG允许一个设备既可充当外部设备，也可充当主机。作为主机时，OTG设备可与其他外部设备通信，并为其他外部设备供电。将USB OTG技术集成到便携式设备中存在一定的设计挑战，包括更高功率工作、热限制和需满足不断提高的系统复杂性。这些设备系统力求在电池长时间运行、与多个电源的兼容性、高功率密度、小尺寸和有效的热量管理之间实现最佳平衡。而一直缺少的是电源管理器集成电路，以高效地为这些便携式设备供电，并在一个小得多的占板面积上提供USB OTG功能，同时要比已有任何解决方案具有高得多的性能。

　　设计挑战

　　自主管理多个输入电源之间的电源通路，同时最大限度地减少热量产生并高效地为手持式产品的负载供电，这带来了巨大的设计挑战。几乎所有便携式电池供电产品都可由几种低压电源供电，如5V交流适配器、USB端口或锂离子/聚合物电池。传统上，设计师一直用MOSFET、运算放大器等分立组件执行这一功能。除尺寸方面的缺点，分立式解决方案必须处理由热插拔引起的大浪涌电流和负载电压瞬态。除非得到解决，否则这些问题可能导致系统可靠性出现问题。

　　一般情况下，OTG解决方案 (尤其是对于100mA USB电源) 一直采用开关电容电压转换器(充电泵)为外部设备供电。充电泵简单、尺寸小、成本低，并由于固有的输出断接能力，可容许VBUS至GND短路。然而，越来越多的用户要求能够提供高达500mA的电流，同时充当USB OTG主机。为最大限度地延长电池运行时间，同时又为大功率外部设备供电，比之充电泵，用户更想要的是一个基于电感器的、高效率的开关稳压器。为防止电池过度放电，一个基于电感器的OTG升压型稳压器必须具有输出断接能力。理想情况下，OTG电源还应该具有抗短路故障能力和准确的输出电流限制。

　　毫无疑问，USB技术提高了电子设备的便利性：用户可以通过执行必要数据传送的同一个USB端口给设备充电，从而无需单独的交流适配器。不过，这种便利性的代价很高。2.5W(最大值)USB功率限制必须仔细管理。为优化性能，USB 电源管理器必须尽可能高效地抽取2.5W功率，来为设备供电、给电池充电并最大限度地减少热量产生。

　　总结一下，系统设计师的关键设计挑战包括：高效率地升高电池电压以提供5V/500mA USB OTG电源;管理包括电池和负载在内的多个电源之间的电源通路;最大限度地提高从USB端口(可提供2.5W)给负载和电池的功率;最大限度地降低作为热量消耗的功率;最大限度地减小解决方案的占板面积和高度。

　　一种新型简单的解决方案

　　凌力尔特公司的电源管理IC具有电源通路(PowerPath)控制和诸如USB OTG升压型转换器等其他最佳集成式功能构件，简单方便地克服了上述设计挑战。事实上，在很多应用中，一个这样的集成式电源管理器IC就可满足所有的核心系统电源需求。这之所以成为可能，是因为采取了不同的IC开发方法，其集成水平既可以提供一个完整、紧凑的解决方案，又不会有任何性能折中。

　　PowerPath控制

　　PowerPath控制可自主和无缝地管理多个电源之间的电源通路，包括USB端口、交流适配器和电池，同时优先向系统负载供电。在一个传统的电池馈送型充电系统中，在给一个深度放电的电池充电时，用户必须等待，直到有足够的电压为系统供电。相反， PowerPath控制允许最终产品一插电立即工作，而不管电池充电状态，这通常称为“即时接通”工作。PowerPath控制功能可以在很多凌力尔特公司的产品中发现，包括线性和开关拓扑产品。线性电源通路拓扑的好处包括电池跟踪自适应输出控制能力，它最大限度地降低了在线性电池充电器单元中损失的功率，并提高了向系统负载供电的效率。开关模式电源通路技术保留了这些优点，同时提高了向系统负载和电池供电的效率。在电池电压低或输入功率受限(即USB)时，这两个特点尤其关键，为开关拓扑提供了卓越的热特性。开关拓扑的另一个优点是，在电池电压低时(<2.9V)，能够从一个标准的USB端口(约2.3W)抽取高达600mA的电池充电电流。

　　LTC4160和LTC4160-1是凌力尔特公司电源管理器IC系列的最新成员，这个系列面向基于单节锂离子/聚合物电池且需要USB OTG功能的应用，这包括媒体播放器、个人导航设备、数码相机、PDA和智能电话。LTC4160/-1具有带USB OTG功能的双向开关电源管理器、输入过压保护(OVP)、一个独立的电池充电器以及一个理想二极管和控制器，所有这些组件都包含在一个紧凑的超薄(0.55mm) 3mm×4mm UTQFN 封装中(见图1)。LTC4160-1提供4.1V电池浮动电压，允许高温安全容限，而LTC4160具有4.2V最终充电电压，以实现优化的电池运行时间。

　　图1 LTC4160的简化应用电路

　　LTC4160/-1在VBUS和VOUT之间具有双向开关稳压器。在降压模式下，该开关稳压器可以从USB端口为应用供电，并给电池充电。该开关稳压器具有电池跟踪自适应输出控制功能，这通过保持输出电压高出电池电压约300mV，极大地提高了电池充电器的效率。除了100mA和500mA的USB兼容输入电流限制，就交流适配器输入而言，LTC4160/-1的输入电流还可以编程至高达1.2A。就快速充电而言，LTC4160/-1几乎将从USB端口获得的全部2.5W功率都转换成充电电流，从而用一个500mA限制的USB电源实现了高达600mA的充电电流或高达700mA的系统负载电流(见图2)。可以从交流适配器获得高达1.2A的充电电流，该电流可以通过编程设定。

　　图2 LTC4160 USB充电电流能力

　　在升压模式下，就USB OTG应用而言，开关稳压器可从VOUT获得功率，以产生5V电压并向VBUS提供高达500mA的电流，而无需任何附加组件。在这种模式下，提供给VOUT的功率通过理想二极管从电池提供。图3所示为详细的电源通路方块图。这个处于升压模式的开关稳压器具有高效转换、输出断接、短路故障保护和准确的电流限制能力。这允许便携式设备或USB外部设备充当主机，并为其他外部设备供电。

　　图3 LTC4160电源通路方块图-USB OTG

　　过压保护

　　LTC4160/-1仅用一个N沟道MOSFET和一个6.2kW电阻器这样两个外部组件，就实现了自我保护，可免于因疏忽给VBUS加上过大电压而引起损坏。选择的外部MOSFET及其有关的漏极击穿电压 (最大可达68V)将决定最大安全过压幅度。

　　最后，LTC4160/-1具自动负载优先处理的PowerPath控制可无缝地管理电源通路，并提供“即时接通”工作，甚至在电池深度放电时也确保系统负载供电。当输入电源受限或不可用时，一个内部180mΩ理想二极管加上一个可选外部理想二极管控制器提供一条从电池到负载的低损耗电源通路。LTC4160/-1独立电池充电器具有自主工作能力，这简化了设计，而且无需外部微处理器产生充电终止信号。为节省电池能量，LTC4160/-1在暂停模式从电池吸取4mA电流，在电池供电时(理想二极管模式，无VBUS电源存在)吸取8mA电流，这与以前的开关电源管理器相比是一个极大的改进。

　　结语

　　凌力尔特公司不断扩大的紧凑型线性和开关电源管理器IC系列使产品设计师的工作变得容易多了。新的IC LTC4160/-1具有带USB OTG升压功能的开关电源管理器、过压保护和紧凑的尺寸等特点。该IC也为最终用户带来了好处，包括USB OTG的便利性、充电、在电池没电时即刻向系统供电、更高的可靠性、更长的电池运行时间以及更快的充电时间。