基于LTC3455的硬盘MP3电源设计

MP3播放机的产量已接近3,000万部，其中50%是硬盘(HDD)MP3播放机。MP3播放机的电源供应通常来自于AC适配器、USB线缆或锂离子电池。然而，管理这些不同电源之间的电源通路控制是一个关键的技术难题。

硬盘MP3播放机市场快速成长的主要动力，来自于苹果iPod与iPod迷你型硬盘MP3的巨大成功，这两款产品在4～40GB的存储范围内均具有多种硬盘选择。这些MP3用微型硬盘的盘片直径大多不足2英寸。例如，东芝的硬盘在直径仅为1.8英寸的单一盘片上具有30GB的容量；日立的微型硬盘则在直径仅1英寸的单一盘片上具有4GB的容量。

不论哪种硬盘驱动器在3.3V下正常运行时，仅需要大约200mA的电流供应。然而在其加速转动期间，峰值电流却可能高达1.2A。设计工程师在设计宽工作电流范围的DC/DC转换器时，常会碰到这样的挑战。

直到最近，工程师已尝试分别采用一组MOSFET、运算放大器等诸多方法来实现硬盘MP3播放机的电源管理与控制，但随之而来的热插拔、大浪涌电流等难题同样非常棘手，如果解决不好会引发大的系统问题。

大部分MP3播放机已经采用专用集成电路(ASIC)来解决电池充电、电源路径控制、提供多重电压供应，以及如真正输出断接和精确USB电流限等保护功能的要求。采用这种方法的原因显而易见，因为只需采用单一器件，就可满足电源管理的所有需求。 

图1：LTC3455的简化框图。
 

可惜的是，这种方法同样也有缺点。首先，ASIC是通过特定的晶圆制造工艺制造，因此难以为各项功能而使性能最优化。其次，ASIC的定义和开发周期通常很长，在要求设计周期短而且动态变化的今天，这一问题变得越来越重要。从概念到出货，电源管理ASIC需要用上一年半时间的情况并不罕见。而在此期间，某一产品的设计需求可能已变化了三次之上。

采用新的ASSP消除充电延迟

虽然不同厂商生产的MP3播放机千差万别，但在特性和功能上还是具有一定的共同点，因此可以采用专用标准产品(ASSP)，而不会像用单一晶圆工艺生产的集成电路那样，对任何常用性能造成影响。Linear公司最近推出的LTC3455就代表了这一面向应用的功能集成趋势。

采用4×4mm QFN封装的LTC3455可以无缝管理AC适配器、USB线缆、锂离子电池之间的电源供应，并满足USB电源标准。此外，它还具有一个全功能锂离子充电器和两个高效的同步降压转换器。其中，锂离子充电器能提供高达800mA的充电电流；而同步降压转换器则能产生大部分USB外设所要求的低电压轨。不仅如此，LTC3455还为微处理器提供电源导通复位信号、为存储卡供电的热插拨(HotSwap)输出，也适合用来充当低电池电量比较器或LDO控制器的备用增益部件。

从图1的LTC3455简化方框图可看到其内部的多个功能模块，其两个片上降压转换器均可在电流模式控制下运行。在引脚可选的突发模式下，运行效率高达96%。这些DC/DC转换器的开关频率为固定的1.5MHz，因此可以采用非常小的外部电感器。

LTC3455的电源提供方式与现有的其它电池和电源管理集成电路不同，后者均为充电器馈送型系统。在这些系统中，外部电源不直接为负载供电。相反，电池通过适配器或USB端口充电，然后再为负载提供电源。当电池被深度放电时，对负载的供电就会延迟。因为电源不会从电池获得，直至在电池达到所要求的最低电量时才能供电。

有了LTC3455，这种延迟就可以消除，只要AC或USB电源一接通，就能即刻对便携式设备上电。此外，芯片还可将负载没有使用的电源用来向电池充电。

消除充电延迟、同步电池充电与向负载供电，这两大优势延长了应用的有效运行时间，并加速了通过USB线缆的充电。该电源管理技术的另一大优势则是不论采用AC或是USB电源，效率都提高了。正因为如此，也就消除了一个不必要的电源转换阶段(即电池充电阶段)。

 
图2：LTC3455具3.3V输出，而电流增至1.2A
 

为加速转动的硬盘提供3.3V电压和1.2A电流

LTC3455的内部电流限为900mA，开关2(图2所示SW2)通常提供一个3.3V/600mA的输出。这种电流量对闪存MP3播放机已经足够，但对硬盘播放机就不够，后者常需要1A以上的3.3V电源。

图2显示了如何通过采用LTC3455，在得到3.3V输出电压时得到更高的电流。通过增加一个微型SOT-23 PMOS FET，和充当LDO(见AO引脚)的增益模块，就可在得到3.3V输出电压的同时得到1.2A的输出电流，这也是盘片启动时所需要的峰值电流。

开关2可编程为3.3V输出电压，而LDO也可编程为3.2V输出电压(低3%)。当负载电流低至开关2的电流范围内时，例如当硬盘的盘片已经转动后，LDO被完全关闭。然而，当负载电流超过开关2提供的范围，如当硬盘的盘片从静止状态进入到加速转动状态时，3.3V输出会轻微下降，LDO将提供所需的额外电流。尽管当3.3V输出电流从0.5A升到1.2A时瞬态响应下降了，但是增加更多的输出电容，可以改善在大电流负载步进过程中的3.3V瞬态响应。

总结

LTC3455还具有诸如精确的USB电流限等其它众多性能。不同引脚选择下，其电流限可以是500mA、100mA或停止模式。此外，当USB电流增加时，充电电流会自动下降，从而确保不会超过USB的电流限。最后，芯片的电池充电器采用了一个热调节环，以确保电池以最大速率充电时，无需担心集成电路会过热。充电器同时还具有引脚可编程的最大充电电流和充电结束计时器等功能。