电源技术中的通用串行总线技术（USB OTG）提供电源管理最佳方案
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2020-10-21
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电源技术中的通用串行总线技术（电源技术中的通用串行总线技术（USB OTG）提供电源管理）提供电源管理
最佳方案最佳方案
（更多电源管理方案，敬请关注维库技术资料网 http://www.dzsc.com/data） 引言 USB驱动的电子产
品市场已出现爆炸性增长，通用串行总线On-the-Go（USB OTG）技术的出现为人们的连网生活提供了更多选
择。USB OTG允许一个设备既可充当外部设备，也可充当主机。作为主机时，OTG设备可与其他外部设备通
信，并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存在一定的设计挑战，包括更高功率工作、热限
制和需满足不断提高的系统复杂性。这些设备系统力求在电池长
（更多电源管理方案，敬请关注维库技术资料网 http://www.dzsc.com/data）
引言引言
USB驱动的电子产品市场已出现爆炸性增长，通用串行总线On-the-Go（USB OTG）技术的出现为人们的连网生活提供
了更多选择。USB OTG允许一个设备既可充当外部设备，也可充当主机。作为主机时，OTG设备可与其他外部设备通信，并
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存在一定的设计挑战，包括更高功率工作、热限制和需满足不断提高的系统复杂
性。这些设备系统力求在电池长时间运行、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。
而一直缺少的是电源管理器集成电路，以高效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，
同时要比已有任何解决方案具有高得多的性能。
1 设计挑战设计挑战
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地为手持式产品的负载供电，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，否则这些问题可能导致系统可靠性出现问题。
一般情况下，OTG解决方案 （尤其是对于100mA USB电源） 一直采用开关电容电压转换器（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
提供高达500mA的电流，同时充当USB OTG主机。为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，比之充
电泵，用户更想要的是一个基于电感器的、高效率的开关稳压器。为防止电池过度放电，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技术提高了电子设备的便利性：用户可以通过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。为优化性能，USB 电源
管理器必须尽可能高效地抽取2.5W功率，来为设备供电、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的占板面积和高度。
2 一种新型简单的解决方案一种新型简单的解决方案
凌力尔特公司的电源管理IC具有电源通路（PowerPath）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，简单方便地克服了上述设计挑战。事实上，在很多应用中，一个这样的集成式电源管理器IC就可满足所有的核心系统电源
需求。这之所以成为可能，是因为采取了不同的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。
2.1 PowerPath控制控制
PowerPath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， PowerPath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。PowerPath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。
LTC4160和LTC4160-1是凌力尔特公司电源管理器IC系列的最新成员，这个系列面向基于单节锂离子/聚合物电池且需要
USB OTG功能的应用，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
含在一个紧凑的超薄（0.55mm） 3mm×4mm UTQFN 封装中（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。
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