简单高效的USB OTG功能

背景

我们的便携式世界在不断变化。随着usb otg技术的出现，曾一度作为中央集线器的PC如今已变成连接中的一个附件。USBOTG允许一个外部设备既作为主机提供功率，在其本身和其他外部设备之间实现直接点到点的连接，又允许其本身由一个USB电源供电。例如，USB OTG功能允许用户方便地将一个摄像机或智能电话直接连接到打印机上，从而无需PC作为中间设备就能提供照片。不过，将USB OTG技术集成到电源管理IC中存在一系列设计难题。

同时，电池供电的便携式电子产品的设计师也面临一些设计挑战，其中包括需要高性能电源管理系统来适应不断提高的系统的复杂性、更高的功率预算和热限制。这些系统力求在电池工作时间、多种电源的兼容性、高功率密度、小尺寸和有效热管理之间实现最佳平衡。一种新的电源管理集成电路(PMIC)可高效地为这些系统供电，并以小得多的占板面积和比其他传统PMIC高得多的性能来提供USB OTG功能。

高效提供USB OTG轨

一般情况下，OTG解决方案，尤其是用于100mA USB电源的OTG解决方案，使用开关电容器电压转换器或充电泵。充电泵简单、尺寸小、成本低并具有内在输出断接，因此如果V短路到地，任何性能都不会受到影响。不过，越来越多的用户希望能够在VBUS上提供整整500mA的电流，因此，从效率的角度来看，人们更想要的是基于电感器的开关稳压器，而不是充电泵(在OTG模式，常常由电池供电)，以便延长电池工作时间。在这些OTG升压型应用中使用开关稳压器的难点是，需要有输出断接，而且在理想情况下还要有短路故障保护功能和准确的输出电流限制。

降低热量

很多工业标准PMIC片上有各种线性稳压器。不过，如果是在没有足够的铜布线、散热器或良好设计的输入／输出电压和输出电流值的情况下，线性稳压器得不到恰当的使用，就可能在PC板上产生局部过热的“热点”。此外，当输入和输出电压之差较高或输出电流较大时，开关稳压器提供一种更高效率的降低电压方式。它们的使用在今天功能丰富且具有低压微处理器的设备中是很普遍的。结果，大多数电压轨采用基于开关模式的电源越来越成为必要。此外，视输入电压到电池电压之差和充电电流的情况，线性电池充电器可能成为另一个热源。基本上，线性充电器就功耗而言像线性稳压器一样工作，因此LDO与线性充电器在同一个芯片上可能带来真正的热量问题。

多个输入电源的管理

管理便携式手持产品中的电源通路，同时又最大限度地减少所产生的热量，这带来了极大的设计挑战。实际上，所有由电池供电的便携式产品都能以5V交流适配器、USB端口或锂离子／聚合物电池等低压电源供电。诸如汽车适配器和Firewire端口等高压电源也变得越来越流行。如何在自主管理多个输入源和电池之间的电源通路的同时高效地为负载供电是极大的技术难题。以往，设计师一直用MOSFET和运算放大器等分立组件实现这一功能，但是面临着热插拔、产生过多热量、大浪涌电流和大瞬态电压等难题，这些问题可能引起系统可靠性的问题。

高效地从USB抽取功率

USB技术提高了电子产品的便利性。现在，用进行数据传送的USB端口给设备充电成为可能，从而无需单独的交流适配器。不过，用USB来给设备电池充电时存在功率限制(最大2.5W)。在很多情况下，能用USB给电池充电对用户来说更加方便，但是会造成对USB电流的限制(最大500mA)。因此，电池充电器必须在不超过最终产品热限制的情况下高效地从USB端口抽取功率。

总的来说，系统设计师面临的关键挑战包括：

1　高效地升高电池电压，以提供5V／500mA USB OTG电源；

2　最大限度地降低任何作为热量消耗的功率；

3　管理多个输入源之间的电源通路(至电池和负载)；

4　最大限度地提高USB端口的电流(可提供2.5W)；

5　最大限度地减小解决方案的占板面积和高度。

电源通路控制

凌力尔特公司PMIC的一个主要特点是电源通路控制。这种自动负载优先处理的功能能够自主和无缝地管理诸如USB端口、交流适配器和电池等多个输入源之间的电源通路，这些工作都是在优先向系统负载供电的前提下进行的。在传统的电池馈送型充电系统中，必须有足够的电池充电量和电压值时，才能获得系统功率。相反，电源通路控制允许最终产品一插电立即开始工作，而不管电池的充电状态，这被称为“即时接通”工作。这些电源通路控制电路可以在线性和开关拓扑中看到。线性电源通路拓扑的好处包括：具有外部升压降压型稳压器的电池跟踪自适应输出控制功能；改进功率流向系统负载的热性能。开关模式电源通路技术保留了这些优点，并提高了向系统负载和电池供电的效率。同时，它还消除了在线性电池充电器单元内的功率损失，这一性能在电池电压较低或输入功率受限(例如USB)时显得尤其关键，使它具有卓越的热特性。开关模式电源通路技术的另一个优点是，在电池电压较低(

一款具USBOTG支持的PMIC

PMIC LTC3576内含一个双向开关电源管理器，具有输入过压保护和USB OTG功能。结构包括一个独立的电池充电器、3个高效率同步降压型稳压器、一个理想二极管、FC控制以及一个始终保持接通的LDO，这些都在一个紧凑、扁平的38引脚4mm×6mm QFN封装内。

LTC3576的USB兼容双向开关稳压器具有100mA和500mA的可编程输入电流限制以及1A的交流适配器输入电流限制。该IC还可以从电池获取功率，在5V时产生500mA电流，这是USB OTG应用在没有任何附加组件的情况下所需的，从而允许该设备作为主机工作。就快速充电而言，LTC3576几乎将从USB端口获得的2.5W功率全部转换成充电电流，从而用一个限制在500mA的USB电源实现高达700mA的电流。如使用交流适配器或用第二个外部电源，充电电流可高达1.5A。该IC提供一个过压保护(OVP)控制电路，防止高达68V的偶然电压应用导致输入损坏。这个OVP电路在该IC为USB OTG供电时还可以保护USB端口。LTC3576还可对一个伴随的高压开关稳压器提供电池跟踪控制，用一个高压输入源实现高效率充电，同时最大限度减少热耗散， 并提供USB和更高电压源之间的无缝转换。

此外，LTC3576的3个集成式同步降压型稳压器用陶瓷电容器可稳定地以100％占空比工作，并能够在可调输出电压低至0.8V时分别提供1A／400mA／400mA的输出电流。内部低RDS(ON、开关实现高达94％的效率，从而最大限度地延长电池的工作时间。此外，突发模式工作优化了轻负载时的效率，而且每个稳压器提供仅为20uA的静态电流(停机时

LTC3576的USB OTG双向开关稳压器

就USB OTG的应用而言，“双重责任”的双向电源通路开关稳压器作为一个降压型转换器工作，从Vous向V供电，同时运行该应用并给电池充电。V提供的功率可以来自电池或外部高压开关稳压器输出；作为一个升压型转换器工作时，该双向开关稳压器在V上产生5V电压，并能提供500mA的最小电流。USB OTG可以由外部控制引脚ENOTG或通过12C接口启动。

LTC3576中的OTG升压型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。这允许一个便携式设备或USB外部设备既可作为主机工作又可提供功率。它与过压保护电路完全兼容。最后，此款芯片不需要额外的外部组件，PCB占板面积也不变。

结语

人们正在逐渐放弃以PC为中心的世界。USB OTG为移动应用而定制，通过允许直接的点对点通信以及在没有PC时两个设备的连接，简化了数据交换。这允许便携式设备和USB外部设备既可作为主机工作，又可提供功率。系统设计师不是采用分立的电源IC组件或传统的大型PMIC，而是可以使用新一代集成了关键电源管理功能的紧凑型PMIC，以更小和更简单的解决方案实现新的性能水平。不断增长的紧凑型电池馈送、线性或开关电源通路PMIC系列使产品设计师的工作变得容易得多。这些IC采用USB OTG升压技术，能从USB端口抽取更多功率，并可无缝管理输入源之间的电源通路，通过电池跟踪自适应输出控制提高热性能和充电效率，在整个锂离子电池输入范围内提供低／中／高电压轨，通过采用更少和更纤巧的外部组件简化设计。最后，这些IC也为由电池供电的便携式设备带来诸多性能的优化，包括USB OTG的便利性、充电或电池没电时瞬时提供系统功率、更高的可靠性、更长的电池工作时间和更快的充电时间。