前言
通用串行總線On-the-Go(USB" title="USB">USB OTG" title="OTG">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,。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" title="電源管理">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,。
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。
一種新型簡單的解決方案
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,。
PowerPath控制
PowerPath控制可自主和無縫地管理多個(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
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,，這簡化了設(shè)計(jì),，而且無需外部微處理器產(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),。
結(jié)語
凌力爾特公司不斷擴(kuò)大的緊湊型" title="緊湊型">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、更長的電池運(yùn)行時(shí)間以及更快的充電時(shí)間,。