善用資料通訊/電力傳輸特性
USB OTG整合電源方案當道

除了允許更彈性地連結各種裝置外，USB OTG還有一項較少被注意到的特性，亦即當一個裝置在連線中擔任主機的任務時，除可和其他周邊裝置進行通訊外，還可以為其他周邊供電。這項功能之所以早在規格中被明確規範，但卻少有人實做的原因在於，要將包含供電能力在內的完整版USB OTG 技術整合到可攜式裝置，是一項設計挑戰，特別是供電這部分，對系統設計的考驗更是嚴苛。

USB OTG供電實作挑戰艱鉅

因為USB OTG最適合應用於各種可攜式裝置，因此設計人員在為系統添加USB OTG連接功能時，經常要與狹小的可用空間奮鬥。此外，如何確保不同電源的相容性、實現高功率密度的設計和解決散熱問題，均為設計人員在實做USB OTG時的所面臨的棘手難題。

為了解決這些實作上的挑戰，設計人員勢必要在系統中採用非常高效率的電源管理晶片，且由於可攜式裝置本身的外觀尺寸相當受限，因此整個供電子系統的接腳占位面積必須非常精巧，才能滿足可攜式裝置的應用需求。

目前幾乎所有可攜式裝置都採用如5伏特電源轉接器、USB埠或鋰離子/聚合物電池等低電壓電源作為電力來源。傳統上，設計者須使用互補式金屬氧化物場效電晶體(MOSFET)、運算放大器等分離式零組件執行此功能。除了尺寸方面的缺點，分離式解決方案亦必須處理由熱插拔引起的大湧浪電流和負載電壓暫態。這些問題必須被充分解決，否則將可能引起系統可靠性的問題。

供電能力需求增加　電感式方案應運而生

在一般情況下，OTG解決方案，尤其是以提供100毫安培USB電源為目標的設計，往往採用開關電容器電壓轉換器(充電泵)為周邊裝置供電。充電泵系統簡單、尺寸小、成本低，並由於具備輸出斷接能力，可容許V_BUS至接地(GND)短路，因此在這類小量供電的應用中頗受設計人員青睞。

然而，有越來越多產品開發團隊已將規格需求從100毫安培提升500毫安培，亦即普通USB的供電規格，同時還要具備充當USB OTG主機的能力。為了將電池續航力延伸到最長，同時又為大功率外部元件供電，設計人員必須捨棄充電泵，改採基於電感的高效率開關穩壓器來進行設計。但這類元件不像充電泵擁有與生俱來的輸出斷接能力，為了防止電池過度放電，以電感為基礎的OTG升壓穩壓器必須具有額外設計輸出斷接功能。理想情況下，OTG電源還應該具有抗短路故障能力和準確的輸出電流限制。

對一般消費者而言，USB無疑是最方便的介面技術，因為此一介面可允許使用者透過單一連接埠同時傳輸資料並為系統充電，避免尋找電源轉接器和插座的不便。

然而，這種便利性並非白吃的午餐。普通USB所能提供的最大功率可達2.5瓦，USB電源管理晶片必須盡可能高效率地汲取此一2.5瓦功率，以為系統供電、給電池充電並最大限度地減少熱量產生。

目前市面上已經有些高整合度的電源管理晶片，可以滿足USB OTG供電的所有電源路徑控制需求，例如標榜支援USB OTG的升壓型轉換器等。這類以USB OTG應用為目標所設計的電源管理方案，可以簡單地克服上述設計挑戰。

事實上，除了專為USB OTG供電所設計的專用元件外，視應用設計架構的不同，有時候也能以一個高度整合的電源管理器晶片同時滿足核心系統電源、USB OTG供電、電池管理等需求。這之所以成為可能，是因為其採取了不同的晶片開發方法，其整合水準既可以提供一個完整、精小的解決方案，又不必犧牲效能。

切換式電源路徑控制效率受青睞

電源管理晶片中的電源路徑控制功能可自動無縫地管理多個電源之間的電源路徑，包括USB埠、牆式電源轉接器和電池，同時優先為系統負載供電。在一個傳統的電池饋送型充電系統中，在為一個電力幾乎完全耗盡的電池充電時，使用者必須等待電池的電壓上升到一定程度後，才能為系統供電。相反的，若電源路徑控制允許最終產品一插電立即工作，而不管電池充電狀態，這通常稱為「即時接通」工作模式。

若要支援上述工作模式，則電源管理晶片須具備自動負載優先處理的電源路徑控制功能，以便在電池深度放電時能確保系統負載供電。當外部輸入電源有限或不可用時，電源管理晶片才會將電源路徑從原本的負載優先切換至從電池到負載的電源路徑。有些電源管理晶片內建的電池充電器具有這類自主工作能力，可簡化電源路徑的設計，而且不必仰賴外部微處理器或微控制器(MCU)來中止充電。

電源路徑控制功能可以被整合到很多不同架構的晶片解決方案中，包括線性和切換架構產品。採用線性電源路徑拓撲的好處包括電池追蹤自適應輸出控制能力可極有效地降低在線性電池充電器單元中的功率損失，並提高向系統負載供電的效率。

切換式電源路徑技術保留了這些優點，同時提高了向系統負載和電池供電的效率，這點除有助於系統設計人員解決熱管理的問題外，若電池電壓偏低和/或輸入功率受限，例如以USB OTG供電時也相當重要。值得一提的是，採用切換架構還可以實現更快速的充電設計，例如當電池電壓低於2.9伏特時，能夠從一個標準的USB埠短時間汲取高達600毫安培的電池充電電流。

目前市面上已有針對以單顆鋰離子/聚合物電池供電的應用所設計的電源管理晶片，可支援USB OTG功能。這些應用包括媒體播放器、個人導航裝置(PND)、數位相機、個人數位助理(PDA)和智慧型手機。這一方案整合了支援USB OTG功能的雙向開關電源管理器、輸入過壓保護(OVP)、獨立的電池充電器以及一個理想二極體和控制器，且元件的封裝尺寸極為精巧，僅3毫米×4毫米，厚度亦僅0.55毫米(圖1)。這類元件還可支援4.1伏特或4.2伏特電池浮動電壓，並具備高溫安全容限特性，以實現最佳化的電池續航力。

圖1　USB OTG電源管理方案之應用電路圖

升/降壓操作各司其職

這類方案為了在降壓模式時可從USB埠為應用供電，並為電池充電，須在V_BUS和V_OUT之間配置一雙向切換穩壓器。該切換穩壓器具有電池追蹤自適應輸出控制功能，可確保其輸出電壓能穩定地比電池電壓高出約300毫伏特，這點對於提升電池充電器的工作效率非常有幫助。

而在輸入電流部分，除了USB所提供的100毫安培和500毫安培兩種額定輸入電流外，如果充電器是從牆上的電源轉接器獲得電源的話，其輸入電流還可以進一步提升至1.2安培。當系統進入快速充電模式時，此一元件幾乎可將從USB埠獲得的全部 2.5瓦功率都轉換成充電電流，從而用一個500毫安培限制的USB電源實現了高達600毫安培的充電電流，或高達700毫安培的系統負載電流(圖2)。  

圖2　USB 充電電流/電壓圖

當系統處於升壓模式操作時，就USB OTG應用而言，切換穩壓器可以從VOUT獲得功率以產生5伏特電壓，並向VBUS提供高達500毫安培的電流，而毋須仰賴任何附加元件。在這種模式中，電源路徑是透過理想二極體從電池提供VOUT功率(圖3)。這個處於升壓模式的切換穩壓器具有高效率轉換、輸出斷接、短路故障保護和準確的電流限制能力。這些功能便是讓可攜式設備或USB周邊設備充當主機，並為其他外部元件供電的關鍵。  

圖3　USB OTG電源路徑方塊圖

過壓保護不容輕忽

除了充電與供電能力外，對於電源管理晶片而言，過壓保護也是一項非常重要的功能。但由於可攜式裝置的空間限制，因此元件本身不僅要採用極為精巧的封裝，其外部元件的使用量也要非常精簡。例如目前有些方案僅須採用一個N通道MOSFET和一個6.2k電阻，便可實現自我保護，可避免因疏忽在VBUS加上過大電壓而引起損壞。至於最大安全過壓幅度的數值，則視設計人員所選擇的外部MOSFET及其閘極擊穿電壓而定，最大可達68伏特。

電源/通訊二合一將成大勢所趨

USB OTG技術的出現，使USB的應用範圍不再局限於PC領域，而其允許兩個裝置之間直接點對點通訊和連接的特性，不僅簡化了資料交換的流程，也讓USB技術在可攜式裝置應用中的價值更被突顯。

但USB OTG除了提供資料通訊功能外，同時也是一個理想的電力傳輸管道，因此目前市場上已經有些針對USB OTG功能所設計的整合型電源管理方案。這種整合式方案的誕生，將讓USB OTG在可攜式裝置應用中更具吸引力。

(本文作者任職於凌力爾特)