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MP3播放機的產量已接近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鍵的技術難題。 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，這兩款產品在4～40GB的存儲范圍內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。 不論哪種硬盤驅動器在3.3V下正常運行時，僅需要大約200mA的電流供應。然而在其加速轉動期間，峰值電流卻可能高達1.2A。設計工程師在設計寬工作電流范圍的DC/DC轉換器時，常會碰到這樣的挑戰。 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大的系統問題。 大部分MP3播放機已經采用專用集成電路(ASIC)來解決電池充電、電源路徑控制、提供多重電壓供應，以及如真正輸出斷接和精確USB電流限等保護功能的要求。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化。其次，ASIC的定義和開發周期通常很長，在要求設計周期短而且動態變化的今天，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，某一產品的設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準產品(ASSP)，而不會像用單一晶圓工藝生產的集成電路那樣，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，并滿足USB電源標準。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換器。其中，鋰離子充電器能提供高達800mA的充電電流；而同步降壓轉換器則能產生大部分USB外設所要求的低電壓軌。不僅如此，LTC3455還為微處理器提供電源導通復位信號、為存儲卡供電的熱插撥(HotSwap)輸出，也適合用來充當低電池電量比較器或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部的多個功能模塊，其兩個片上降壓轉換器均可在電流模式控制下運行。在引腳可選的突發模式下，運行效率高達96%。這些DC/DC轉換器的開關頻率為固定的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。在這些系統中，外部電源不直接為負載供電。相反，電池通過適配器或USB端口充電，然后再為負載提供電源。當電池被深度放電時，對負載的供電就會延遲。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備上電。此外，芯片還可將負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載供電，這兩大優勢延長了應用的有效運行時間，并加速了通過USB線纜的充電。該電源管理技術的另一大優勢則是不論采用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換階段(即電池充電階段)。 為加速轉動的硬盤提供3.3V電壓和1.2A電流 LTC3455的內部電流限為900mA，開關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%)。當負載電流低至開關2的電流范圍內時，例如當硬盤的盤片已經轉動后，LDO被完全關閉。然而，當負載電流超過開關2提供的范圍，如當硬盤的盤片從靜止狀態進入到加速轉動狀態時，3.3V輸出會輕微下降，LDO將提供所需的額外電流。盡管當3.3V輸出電流從0.5A升到1.2A時瞬態響應下降了，但是增加更多的輸出電容，可以改善在大電流負載步進過程中的3.3V瞬態響應。 總結 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節環，以確保電池以最大速率充電時，無需擔心集成電路會過熱。充電器同時還具有引腳可編程的最大充電電流和充電結束計時器等功能。 |
