基于新型ASSP LTC3455的硬盤MP3電源設(shè)計
MP3播放機的產(chǎn)量已接近3,000萬部,其中50%是硬盤(HDD)MP3播放機。MP3播放機的電源供應(yīng)通常來自于AC適配器、USB線纜或鋰離子電池。然而,管理這些不同電源之間的電源通路控制是一個關(guān)鍵的技術(shù)難題。
硬盤MP3播放機市場快速成長的主要動力,來自于蘋果iPod與iPod迷你型硬盤MP3的巨大成功,這兩款產(chǎn)品在4~40GB的存儲范圍內(nèi)均具有多種硬盤選擇。這些MP3用微型硬盤的盤片直徑大多不足2英寸。例如,東芝的硬盤在直徑僅為1.8英寸的單一盤片上具有30GB的容量;日立的微型硬盤則在直徑僅1英寸的單一盤片上具有4GB的容量。
不論哪種硬盤驅(qū)動器在3.3V下正常運行時,僅需要大約200mA的電流供應(yīng)。然而在其加速轉(zhuǎn)動期間,峰值電流卻可能高達(dá)1.2A。設(shè)計工程師在設(shè)計寬工作電流范圍的DC/DC轉(zhuǎn)換器時,常會碰到這樣的挑戰(zhàn)。
直到最近,工程師已嘗試分別采用一組MOSFET、運算放大器等諸多方法來實現(xiàn)硬盤MP3播放機的電源管理與控制,但隨之而來的熱插拔、大浪涌電流等難題同樣非常棘手,如果解決不好會引發(fā)大的系統(tǒng)問題。
大部分MP3播放機已經(jīng)采用專用集成電路(ASIC)來解決電池充電、電源路徑控制、提供多重電壓供應(yīng),以及如真正輸出斷接和精確USB電流限等保護(hù)功能的要求。采用這種方法的原因顯而易見,因為只需采用單一器件,就可滿足電源管理的所有需求。
圖1:LTC3455的簡化框圖。 |
可惜的是,這種方法同樣也有缺點。首先,ASIC是通過特定的晶圓制造工藝制造,因此難以為各項功能而使性能最優(yōu)化。其次,ASIC的定義和開發(fā)周期通常很長,在要求設(shè)計周期短而且動態(tài)變化的今天,這一問題變得越來越重要。從概念到出貨,電源管理ASIC需要用上一年半時間的情況并不罕見。而在此期間,某一產(chǎn)品的設(shè)計需求可能已變化了三次之上。
采用新的ASSP消除充電延遲
雖然不同廠商生產(chǎn)的MP3播放機千差萬別,但在特性和功能上還是具有一定的共同點,因此可以采用專用標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品(ASSP),而不會像用單一晶圓工藝生產(chǎn)的集成電路那樣,對任何常用性能造成影響。Linear公司最近推出的LTC3455就代表了這一面向應(yīng)用的功能集成趨勢。
采用4×4mm QFN封裝的LTC3455可以無縫管理AC適配器、USB線纜、鋰離子電池之間的電源供應(yīng),并滿足USB電源標(biāo)準(zhǔn)。此外,它還具有一個全功能鋰離子充電器和兩個高效的同步降壓轉(zhuǎn)換器。其中,鋰離子充電器能提供高達(dá)800mA的充電電流;而同步降壓轉(zhuǎn)換器則能產(chǎn)生大部分USB外設(shè)所要求的低電壓軌。不僅如此,LTC3455還為微處理器提供電源導(dǎo)通復(fù)位信號、為存儲卡供電的熱插撥(HotSwap)輸出,也適合用來充當(dāng)?shù)碗姵仉娏勘容^器或LDO控制器的備用增益部件。
從圖1的LTC3455簡化方框圖可看到其內(nèi)部的多個功能模塊,其兩個片上降壓轉(zhuǎn)換器均可在電流模式控制下運行。在引腳可選的突發(fā)模式下,運行效率高達(dá)96%。這些DC/DC轉(zhuǎn)換器的開關(guān)頻率為固定的1.5MHz,因此可以采用非常小的外部電感器。
LTC3455的電源提供方式與現(xiàn)有的其它電池和電源管理集成電路不同,后者均為充電器饋送型系統(tǒng)。在這些系統(tǒng)中,外部電源不直接為負(fù)載供電。相反,電池通過適配器或USB端口充電,然后再為負(fù)載提供電源。當(dāng)電池被深度放電時,對負(fù)載的供電就會延遲。因為電源不會從電池獲得,直至在電池達(dá)到所要求的最低電量時才能供電。
有了LTC3455,這種延遲就可以消除,只要AC或USB電源一接通,就能即刻對便攜式設(shè)備上電。此外,芯片還可將負(fù)載沒有使用的電源用來向電池充電。
消除充電延遲、同步電池充電與向負(fù)載供電,這兩大優(yōu)勢延長了應(yīng)用的有效運行時間,并加速了通過USB線纜的充電。該電源管理技術(shù)的另一大優(yōu)勢則是不論采用AC或是USB電源,效率都提高了。正因為如此,也就消除了一個不必要的電源轉(zhuǎn)換階段(即電池充電階段)。
圖2:LTC3455具3.3V輸出,而電流增至1.2A |
為加速轉(zhuǎn)動的硬盤提供3.3V電壓和1.2A電流
LTC3455的內(nèi)部電流限為900mA,開關(guān)2(圖2所示SW2)通常提供一個3.3V/600mA的輸出。這種電流量對閃存MP3播放機已經(jīng)足夠,但對硬盤播放機就不夠,后者常需要1A以上的3.3V電源。
圖2顯示了如何通過采用LTC3455,在得到3.3V輸出電壓時得到更高的電流。通過增加一個微型SOT-23 PMOS FET,和充當(dāng)LDO(見AO引腳)的增益模塊,就可在得到3.3V輸出電壓的同時得到1.2A的輸出電流,這也是盤片啟動時所需要的峰值電流。
開關(guān)2可編程為3.3V輸出電壓,而LDO也可編程為3.2V輸出電壓(低3%)。當(dāng)負(fù)載電流低至開關(guān)2的電流范圍內(nèi)時,例如當(dāng)硬盤的盤片已經(jīng)轉(zhuǎn)動后,LDO被完全關(guān)閉。然而,當(dāng)負(fù)載電流超過開關(guān)2提供的范圍,如當(dāng)硬盤的盤片從靜止?fàn)顟B(tài)進(jìn)入到加速轉(zhuǎn)動狀態(tài)時,3.3V輸出會輕微下降,LDO將提供所需的額外電流。盡管當(dāng)3.3V輸出電流從0.5A升到1.2A時瞬態(tài)響應(yīng)下降了,但是增加更多的輸出電容,可以改善在大電流負(fù)載步進(jìn)過程中的3.3V瞬態(tài)響應(yīng)。
總結(jié)
LTC3455還具有諸如精確的USB電流限等其它眾多性能。不同引腳選擇下,其電流限可以是500mA、100mA或停止模式。此外,當(dāng)USB電流增加時,充電電流會自動下降,從而確保不會超過USB的電流限。最后,芯片的電池充電器采用了一個熱調(diào)節(jié)環(huán),以確保電池以最大速率充電時,無需擔(dān)心集成電路會過熱。充電器同時還具有引腳可編程的最大充電電流和充電結(jié)束計時器等功能。