通用串行總線技術（USB OTG）供應電源管理最佳方法

引言

USB驅動的電子產品市場已出現爆炸性上升，通用串行總線On-the-Go(USBOTG)技術的出現為人們的連網生活供應了更多選擇。USBOTG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。例如，用戶可以方便地將一部照相機或智能電話直接連到一臺打印機上，而無需pC作為中間設備。然而，將USBOTG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供應USBOTG功能，同時要比已有任何解決方法具有高得多的性能。

1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出現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，分立式解決方法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解決方法(尤其是關于100mAUSB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供應高達500mA的電流，同時充當USBOTG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出現。

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供應5V/500mAUSBOTG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(可供應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法的占板面積和高度。

2一種新型簡單的解決方法

凌力爾特公司的電源管理IC具有電源通路(powerpath)控制和諸如USBOTG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，其集成水平既可以供應一個完整、緊湊的解決方法，又不會有任何性能折中。

2.1powerpath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，為開關拓撲供應了卓越的熱特性。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/聚合物電池且要USBOTG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USBOTG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)3mm4mmUTQFN封裝中(見圖1)。LTC4160-1供應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。

圖1LTC4160的簡化應用電路

LTC4160/-1在VBUS和VOUT之間具有雙向開關穩壓器。在降壓模式下，該開關穩壓器可以從USB端口為應用供電，并給電池充電。該開關穩壓器具有電池跟蹤自適應輸出控制功能，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功率都轉換成充電電流，從而用一個500mA限制的USB電源實現了高達600mA的充電電流或高達700mA的系統負載電流(見圖2)。可以從交流適配器獲得高達1.2A的充電電流，該電流可以通過編程設定。

圖2LTC4160USB充電電流能力

在升壓模式下，就USBOTG應用而言，開關穩壓器可從VOUT獲得功率，以出現5V電壓并向VBUS供應高達500mA的電流，而無需任何附加組件。在這種模式下，供應給VOUT的功率通過理想二極管從電池供應。圖3所示為詳細的電源通路方塊圖。這個處于升壓模式的開關穩壓器具有高效轉換、輸出斷接、短路故障保護和準確的電流限制能力。這允許便攜式設備或USB外部設備充當主機，并為其他外部設備供電。

圖3LTC4160電源通路方塊圖-USBOTG

2.2過壓保護

LTC4160/-1僅用一個N溝道MOSFET和一個6.2kW電阻器這樣兩個外部組件，就實現了自我保護，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及其有關的漏極擊穿電壓(最大可達68V)將決定最大安全過壓幅度。

最后，LTC4160/-1具自動負載優先處理的powerpath控制可無縫地管理電源通路，并供應即時接通工作，甚至在電池深度放電時也確保系統負載供電。當輸入電源受限或不可用時，一個內部180mΩ理想二極管加上一個可選外部理想二極管控制器供應一條從電池到負載的低損耗電源通路。LTC4160/-1獨立電池充電器具有自主工作能力，這簡化了設計，而且無需外部微處理器出現充電終止信號。為節省電池能量，LTC4160/-1在暫停模式從電池吸取4mA電流，在電池供電時(理想二極管模式，無VBUS電源存在)吸取8mA電流，這與以前的開關電源管理器相比是一個極大的改進。

3結語

USB供電的電子設備市場已出現爆炸性上升，而USBOTG技術的出現使USB的應用范圍超出了pC領域。USBOTG為移動應用而定制，通過在pC不存在時允許兩個設備之間直接的點對點通信和連接性，簡化了數據交換。這使便攜式設備既可以充當外部設備，又可充當主機，從而能為其他外部設備供電。系統設計師不是利用分立的電源IC組件，而是可以使用新一代緊湊型電源管理器器件，這些器件集成了關鍵的電源管理功能，能以更小和更簡單的解決方法實現新的性能水平。凌力爾特公司不斷擴大的緊湊型線性和開關電源管理器IC系列使產品設計師的工作變得容易多了。新的ICLTC4160/-1具有帶USBOTG升壓功能的開關電源管理器、過壓保護和緊湊的尺寸等特點。該IC也為最終用戶帶來了好處，包括USBOTG的便利性、充電、在電池沒電時即刻向系統供電、更高的可靠性、更長的電池運行時間以及更快的充電時間。