基于LTC3455的硬盘MP3电源设计

MP3播放机的产量已接近3,000万部，其中50%是硬盘(HDD)MP3播放机。MP3播放机的电源供应通常来自于AC适配器、USB线缆或锂离子电池。然而，管理这些不同电源之间的电源通路控制是一个关键的技术难题。

硬盘MP3播放机市场快速成长的主要动力，来自于苹果iPod与iPod迷你型硬盘MP3的巨大成功，这两款产品在4～40GB的存储范围内均具有多种硬盘选择。这些MP3用微型硬盘的盘片直径大多不足2英寸。例如，东芝的硬盘在直径仅为1.8英寸的单一盘片上具有30GB的容量；日立的微型硬盘则在直径仅1英寸的单一盘片上具有4GB的容量。

不论哪种硬盘驱动器在3.3V下正常运行时，仅需要大约200mA的电流供应。然而在其加速转动期间，峰值电流却可能高达1.2A。设计工程师在设计宽工作电流范围的DC/DC转换器时，常会碰到这样的挑战。

直到最近，工程师已尝试分别采用一组MOSFET、运算放大器等诸多方法来实现硬盘MP3播放机的电源管理与控制，但随之而来的热插拔、大浪涌电流等难题同样非常棘手，如果解决不好会引发大的系统问题。

大部分MP3播放机已经采用专用集成电路(ASIC)来解决电池充电、电源路径控制、提供多重电压供应，以及如真正输出断接和精确USB电流限等保护功能的要求。采用这种方法的原因显而易见，因为只需采用单一器件，就可满足电源管理的所有需求。

图1：LTC3455的简化框图。

可惜的是，这种方法同样也有缺点。首先，ASIC是通过特定的晶圆制造工艺制造，因此难以为各项功能而使性能最优化。其次，ASIC的定义和开发周期通常很长，在要求设计周期短而且动态变化的今天，这一问题变得越来越重要。从概念到出货，电源管理ASIC需要用上一年半时间的情况并不罕见。而在此期间，某一产品的设计需求可能已变化了三次之上。

采用新的ASSP消除充电延迟

虽然不同厂商生产的MP3播放机千差万别，但在特性和功能上还是具有一定的共同点，因此可以采用专用标准产品(ASSP)，而不会像用单一晶圆工艺生产的集成电路那样，对任何常用性能造成影响。Linear公司最近推出的LTC3455就代表了这一面向应用的功能集成趋势。

采用4×4mm QFN封装的LTC3455可以无缝管理AC适配器、USB线缆、锂离子电池之间的电源供应，并满足USB电源标准。此外，它还具有一个全功能锂离子充电器和两个高效的同步降压转换器。其中，锂离子充电器能提供高达800mA的充电电流；而同步降压转换器则能产生大部分USB外设所要求的低电压轨。不仅如此，LTC3455还为微处理器提供电源导通复位信号、为存储卡供电的热插拨(HotSwap)输出，也适合用来充当低电池电量比较器或LDO控制器的备用增益部件。

从图1的LTC3455简化方框图可看到其内部的多个功能模块，其两个片上降压转换器均可在电流模式控制下运行。在引脚可选的突发模式下，运行效率高达96%。这些DC/DC转换器的开关频率为固定的1.5MHz，因此可以采用非常小的外部电感器。

LTC3455的电源提供方式与现有的其它电池和电源管理集成电路不同，后者均为充电器馈送型系统。在这些系统中，外部电源不直接为负载供电。相反，电池通过适配器或USB端口充电，然后再为负载提供电源。当电池被深度放电时，对负载的供电就会延迟。因为电源不会从电池获得，直至在电池达到所要求的最低电量时才能供电。

有了LTC3455，这种延迟就可以消除，只要AC或USB电源一接通，就能即刻对便携式设备上电。此外，芯片还可将负载没有使用的电源用来向电池充电。

消除充电延迟、同步电池充电与向负载供电，这两大优势延长了应用的有效运行时间，并加速了通过USB线缆的充电。该电源管理技术的另一大优势则是不论采用AC或是USB电源，效率都提高了。正因为如此，也就消除了一个不必要的电源转换阶段(即电池充电阶段)。

图2：LTC3455具3.3V输出，而电流增至1.2A

为加速转动的硬盘提供3.3V电压和1.2A电流

LTC3455的内部电流限为900mA，开关2(图2所示SW2)通常提供一个3.3V/600mA的输出。这种电流量对闪存MP3播放机已经足够，但对硬盘播放机就不够，后者常需要1A以上的3.3V电源。

图2显示了如何通过采用LTC3455，在得到3.3V输出电压时得到更高的电流。通过增加一个微型SOT-23 PMOS FET，和充当LDO(见AO引脚)的增益模块，就可在得到3.3V输出电压的同时得到1.2A的输出电流，这也是盘片启动时所需要的峰值电流。

开关2可编程为3.3V输出电压，而LDO也可编程为3.2V输出电压(低3%)。当负载电流低至开关2的电流范围内时，例如当硬盘的盘片已经转动后，LDO被完全关闭。然而，当负载电流超过开关2提供的范围，如当硬盘的盘片从静止状态进入到加速转动状态时，3.3V输出会轻微下降，LDO将提供所需的额外电流。尽管当3.3V输出电流从0.5A升到1.2A时瞬态响应下降了，但是增加更多的输出电容，可以改善在大电流负载步进过程中的3.3V瞬态响应。