具USB OTG和过压保护的紧凑型电源管理器

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作者:凌力尔特公司电源产品部高级产品市场工程师 Steve Knoth


背景

USB 驱动的电子产品市场已经出现了爆炸性增长,2008 年交付了超过 25 亿部具 USB 功能的电子设备,而且预计年增长率超过 8%。另外,通用串行总线 On-the-Go (USB OTG) 技术的出现已经为人们的连网生活提供了更多选择。USB OTG 允许一个外部设备或者充当外部设备,或者充当主机。作为主机时,OTG 设备可以与其他外部设备通信,及为其他外部设备供电。例如,用户可以方便地将一部照相机或智能电话直接连到一台打印机上,而无需 PC 作为中间设备。然而,将 USB OTG 技术集成到便携式设备中带来了设计挑战,包括更高功率工作、热限制和需要容纳不断提高的系统复杂性。这些设备系统力求在电池长运行时间、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。一直缺少的是电源管理器集成电路,以高效率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,并且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率地为手持式产品中的负载供电,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以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。除了尺寸方面的缺点,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,否则这些问题可能引起系统可靠性问题。

一般情况下,OTG 解决方案 (尤其是就 100mA USB 电源) 一直采用开关电容器电压转换器 (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足足 500mA 电流,同时充当 USB OTG 主机。为了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,比充电泵更想要的是一个基于电感器的、高效率开关稳压器。为了防止电池过度放电,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 技术已经提高了电子设备的便利性:用户可以用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。为了优化性能,USB 电源管理器必须尽可能高效率地抽取 2.5W 功率,以为设备供电、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占板面积和高度


一种新和简单的解决方案

凌力尔特公司的电源管理 IC 具有电源通路 (PowerPathTM) 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,简单和方便地克服了上述设计挑战。事实上,在很多应用中,一个凌力尔特公司的集成式电源管理器 IC 就可以满足所有核心系统电源需求。这之所以成为可能,是因为凌力尔特公司采取了不同的 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。


电源通路控制

电源通路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,电源通路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。电源通路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 (Bat-TrackTM) 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。在电池电压低和/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。

凌力尔特公司的 LTC4160 和 LTC4160-1 是一个电源管理器 IC 系列的最新成员,这个系列面向基于单节锂离子/聚合物电池的应用,需要 USB OTG 功能,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低高度 (0.55mm) 3mm x 4mm UTQFN 封装中 (参见图 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

USB ON-THE-GO:USB OTG
SYSTEM LOAD:系统负载
OPTIONAL OVERVOLTAGE PROTECTION:可选过压保护


LTC4160/-1 在 VBUS 和 VOUT 之间具有双向开关稳压器。在降压模式时,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 (参见图 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

CHARGER CURRENT:充电电流
BATTERY VOLTAGE:电池电压
BATTERY CHARGE CURRENT:电池充电电流
CURRENT:电流


在升压模式中,就 USB OTG 应用而言,开关稳压器可以从 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。在这种模式中,提供给 VOUT 的功率通过理想二极管从电池提供。参见图 3 以获得详细信息。这个处于升压模式的开关稳压器具有高效率转换、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

TO USB OR WALL ADAPTER:至 USB 或交流适配器
VOLTAGE CONTROLLER:电压控制器
AVERAGE VBUS OUTPUT:平均 VBUS 输出
CURRENT LIMIT:电流限制
CONTROLLER:控制器
OVERVOLTAGE PROTECTION:过压保护
PWM AND GATE DRIVE:PWM 和栅极驱动
BATTERY CHARGER:电池充电器
IDEAL DIODE:理想二极管
BATTERY POWER:电池电源
3.5V TO (BAT+0.3V) TO SYSTEM LOAD:3.5V 至 (BAT + 0.3V) 至系统负载
SINGLE CELL Li-Ion:单节锂离子电池


过压保护

LTC4160/-1 仅用一个 N 沟道 MOSFET 和一个 6.2k 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电源通路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 的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实现充电终止。为了节省电池能量,LTC4160/-1 在暂停模式从电池吸取 4uA 电流,在电池供电时 (理想二极管模式,无 VBUS 电源存在) 吸取 8uA 电流,这与以前的开关电源管理器相比是一个极大的改进。


结论

USB 供电的电子设备市场已经出现了爆炸性增长,因此,USB OTG 技术的出现已经使 USB 的应用范围超出了 PC 领域。USB OTG 为移动应用而定制,通过在 PC 不存在时允许两个设备之间直接的点对点通信和连接性,简化了数据交换。这允许便携式设备既可以充当外部设备,又可以充当主机,从而能够向其他外部设备供电。系统设计师不是利用分立的电源 IC 组件,而是可以使用新一代紧凑型电源管理器器件,这些器件集成了关键电源管理功能,能以更小和更简单的解决方案实现新的性能水平。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。该 IC 也为最终用户带来了好处,包括 USB OTG 的便利性和充电、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。