具有USB OTG和過壓保護的緊湊型電源管理器的實現

　　前言

　　通用串行總線On-the-Go(USB OTG)技術的出現為人們的連網生活提供了更多選擇。USB OTG允許一個設備既可充當外部設備，也可充當主機。作為主機時，OTG設備可與其他外部設備通信，并為其他外部設備供電。將USB OTG技術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、熱限制和需滿足不斷提高的系統復雜性。這些設備系統力求在電池長時間運行、與多個電源的兼容性、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，并在一個小得多的占板面積上提供USB OTG功能，同時要比已有任何解決方案具有高得多的性能。

　　設計挑戰

　　自主管理多個輸入電源之間的電源通路，同時最大限度地減少熱量產生并高效地為手持式產品的負載供電，這帶來了巨大的設計挑戰。幾乎所有便攜式電池供電產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，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。除非得到解決，否則這些問題可能導致系統可靠性出現問題。

　　一般情況下，OTG解決方案 (尤其是對于100mA USB電源) 一直采用開關電容電壓轉換器(充電泵)為外部設備供電。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500mA的電流，同時充當USB OTG主機。為最大限度地延長電池運行時間，同時又為大功率外部設備供電，比之充電泵，用戶更想要的是一個基于電感器的、高效率的開關穩壓器。為防止電池過度放電，一個基于電感器的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。

　　毫無疑問，USB技術提高了電子設備的便利性：用戶可以通過執行必要數據傳送的同一個USB端口給設備充電，從而無需單獨的交流適配器。不過，這種便利性的代價很高。2.5W(最大值)USB功率限制必須仔細管理。為優化性能，USB 電源管理器必須盡可能高效地抽取2.5W功率，來為設備供電、給電池充電并最大限度地減少熱量產生。

　　總結一下，系統設計師的關鍵設計挑戰包括：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。

　　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升壓型轉換器等其他最佳集成式功能構件，簡單方便地克服了上述設計挑戰。事實上，在很多應用中，一個這樣的集成式電源管理器IC就可滿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開發方法，其集成水平既可以提供一個完整、緊湊的解決方案，又不會有任何性能折中。

　　PowerPath控制

　　PowerPath控制可自主和無縫地管理多個電源之間的電源通路，包括USB端口、交流適配器和電池，同時優先向系統負載供電。在一個傳統的電池饋送型充電系統中，在給一個深度放電的電池充電時，用戶必須等待，直到有足夠的電壓為系統供電。相反， PowerPath控制允許最終產品一插電立即工作，而不管電池充電狀態，這通常稱為“即時接通”工作。PowerPath控制功能可以在很多凌力爾特公司的產品中發現，包括線性和開關拓撲產品。線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。開關模式電源通路技術保留了這些優點，同時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，這兩個特點尤其關鍵，為開關拓撲提供了卓越的熱特性。開關拓撲的另一個優點是，在電池電壓低時(<2.9V)，能夠從一個標準的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、個人導航設備、數碼相機、PDA和智能電話。LTC4160/-1具有帶USB OTG功能的雙向開關電源管理器、輸入過壓保護(OVP)、一個獨立的電池充電器以及一個理想二極管和控制器，所有這些組件都包含在一個緊湊的超薄(0.55mm) 3mm×4mm UTQFN 封裝中(見圖1)。LTC4160-1提供4.1V電池浮動電壓，允許高溫安全容限，而LTC4160具有4.2V最終充電電壓，以實現優化的電池運行時間。