具USB OTG和过压保护的紧凑型电源管理器

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