1、概述

　　凌力爾特（Linear Technology）推出的LTC3558型USB電池充電器，帶有兩個開關穩壓器，適合于在手持式設備中應用。LTC3558的充電器，采用恒流/恒壓(ya)(ya)算法，可以從(cong)USB電(dian)(dian)源汲取功率(lv)，也可以利用墻上AC適配器(qi)對單節鋰離(li)子/聚合物電(dian)(dian)池充(chong)電(dian)(dian)，可編(bian)程最大充(chong)電(dian)(dian)電(dian)(dian)流達950mA。LTC3558的(de)降壓(ya)(ya)開關穩(wen)壓(ya)(ya)器(qi)和降壓(ya)(ya)-升壓(ya)(ya)開關穩(wen)壓(ya)(ya)器(qi)，在(zai)2.25MHz的(de)固定頻率(lv)上操作，輸出電(dian)(dian)壓(ya)(ya)可編(bian)程，效率(lv)高(gao)于90%，能分別提供400mA的(de)電(dian)(dian)流，為微控(kong)制(zhi)器(qi)內(nei)核、微控(kong)制(zhi)器(qi)I/O、存(cun)儲器(qi)、磁盤驅動器(qi)或其(qi)它邏輯(ji)電(dian)(dian)路(lu)加(jia)電(dian)(dian)。

　　2、LTC3558封裝、內(nei)部結構(gou)及引腳功能

　　LTC3558采用3mm×3mm×0.75mm的(de)21引腳(jiao)QFN封(feng)裝(zhuang)，引腳(jiao)排(pai)列(lie)如圖(tu)1所示。

圖1  LTC3558引腳(jiao)排列

　　LTC3558含有一(yi)(yi)個(ge)線(xian)性USB電(dian)(dian)(dian)池充電(dian)(dian)(dian)器(qi)、一(yi)(yi)個(ge)電(dian)(dian)(dian)流模式降(jiang)壓(ya)（buck）開(kai)關穩(wen)壓(ya)器(qi)和(he)一(yi)(yi)個(ge)電(dian)(dian)(dian)壓(ya)模式降(jiang)壓(ya)-升壓(ya)（buck-boost）開(kai)關穩(wen)壓(ya)器(qi)，其內部(bu)電(dian)(dian)(dian)路(lu)組成框圖如圖２所示(shi)。

圖2  LTC3558內部電(dian)路(lu)

　　LTC3558各個(ge)引腳功能簡述(shu)如表(biao)1所示。

表(biao)1  LTC3558引腳功能(neng)

　　3、LTC3558功能與工作原理

　　3.1  電池充電器 

　　3.1.1  欠(qian)電壓鎖定（UVLO）

　　IC（LTC3558）的UVLO電(dian)路監視(shi)輸入電(dian)壓Vcc，其值范圍為4.3~5.5V。在(zai)Vcc升高到VUVLO（4V）以上之前，充電(dian)器失能；當Vcc降(jiang)落到電(dian)池(chi)電(dian)壓VBAT的50mV之內時，充電(dian)器也(ye)將失效。

　　3.1.2  暫(zan)停模式

　　通過(guo)將IC引腳(jiao)SUSP上(shang)拉到(dao)1.2V以上(shang)，充電(dian)器同樣會失效。在(zai)暫停模式，電(dian)池(chi)僅吸收1.5μA的電(dian)流，輸入電(dian)流Icc減小(xiao)到(dao)8. 5μA。

　　3.1.3  編程充電電流(liu)

　　連接在IC引腳PROG上與地之間的電阻RPROG可以編程滿標度（full-scale）充電電流（即在恒流模式充電電流的100%），計算公式為ICHG=800V/RPROG。
在恒流模式，若將IC引腳HPWR拉至高電平，引腳PROG上的電壓VPROG=1V，對應于用滿標度電流充電；若引腳HPWR為低電平，VPROG則為0.2V，相應的充電電流為滿標度電流（C）的(de)20%（即0.2C）。

　　3.1.4  充電時序

　　在充電(dian)(dian)(dian)周期開(kai)始時，充電(dian)(dian)(dian)器首(shou)先確(que)定電(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)是否(fou)深度(du)放電(dian)(dian)(dian)。如果(guo)電(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)電(dian)(dian)(dian)壓低(di)于2.9V，充電(dian)(dian)(dian)器則自動進行(xing)涓流充電(dian)(dian)(dian)，充電(dian)(dian)(dian)電(dian)(dian)(dian)流為滿(man)標度(du)電(dian)(dian)(dian)流的10%（即0.1C）。如果(guo)電(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)電(dian)(dian)(dian)壓在2.9V以(yi)下持續時間達0.5h以(yi)上，充電(dian)(dian)(dian)器則終止充電(dian)(dian)(dian)。

　　如果(guo)(guo)VBAT>2.9V，充(chong)(chong)電(dian)器(qi)(qi)(qi)則在恒流模(mo)式(shi)開始充(chong)(chong)電(dian)。當VBAT>4.105V時，充(chong)(chong)電(dian)器(qi)(qi)(qi)的充(chong)(chong)電(dian)電(dian)流將大大減小，則進入恒壓充(chong)(chong)電(dian)模(mo)式(shi)。如果(guo)(guo)IC內部(bu)4h的安全(quan)定時器(qi)(qi)(qi)期滿(man)，電(dian)池(chi)充(chong)(chong)電(dian)將停止。如果(guo)(guo)電(dian)池(chi)電(dian)壓VBAT降至(zhi)4.105V以下，充(chong)(chong)電(dian)器(qi)(qi)(qi)將自動開始重(zhong)新充(chong)(chong)電(dian)。

　　在充電(dian)過程中，如果芯片溫度約達(da)115℃，充電(dian)器(qi)將減小已編程的(de)充電(dian)電(dian)流，以防止IC及(ji)其周圍功率元件因過熱而損壞。

　　3.1.5  充電狀態指(zhi)示

　　IC引(yin)腳 通過微處理器或人(ren)工接(jie)口可(ke)以指(zhi)示正(zheng)在充電(dian)(dian)、不充電(dian)(dian)、電(dian)(dian)池無反應和電(dian)(dian)池溫度超出(chu)范(fan)圍四種可(ke)能(neng)狀態中(zhong)的一種。比較簡單的方(fang)法(fa)是利(li)用LED作(zuo)為(wei)指(zhi)示器，將(jiang)其(qi)串聯(lian)一個限流(liu)電(dian)(dian)阻連接(jie)在IC引(yin)腳 與Vcc之(zhi)間。

　　當充電開始(shi)后，IC引腳 為低電平，LED導通(tong)而被點(dian)亮(liang)，無閃爍現象發生。

　　當充電電流降至滿標度電流的10%（即(ji)0.1C）以下時(shi)，引腳 釋(shi)放，呈現高阻抗，LED熄滅。

　　如果IC引腳NTC外部的NTC熱敏電阻(zu)出(chu)現故障，使電池溫度(du)超(chao)出(chu)范(fan)圍，LED將(jiang)出(chu)現閃爍，頻率為1.5Hz，人(ren)眼很容易識別。

　　如(ru)果電(dian)池已(yi)壞或不良(liang)（電(dian)池電(dian)壓在(zai)2.9V以下超(chao)過0.5h），LED將在(zai)6.1Hz的頻率上閃爍(shuo)，頻閃速率比NTC熱敏電(dian)阻故障要快(kuai)得(de)多。

　　3.1.6  用NTC熱敏電阻測量電池溫度

　　電(dian)池充電(dian)時的溫度(du)可(ke)利用NTC熱(re)敏電(dian)阻來(lai)測量(liang)，典型電(dian)路如圖3所示。

 

圖3  典型NTC熱(re)敏電阻電路

　　圖中，RNTC為(wei)NTC熱敏電阻(zu)，應將其緊貼電池盒。RNTC在25℃時的電阻(zu)值R25=100kΩ，與偏置電阻(zu)RNOM值相等(deng)。IC引腳NTC內部較低(di)溫度（冷(leng)態(tai)）門限為(wei)0.765Vcc，較高溫度（熱態(tai)）門限為(wei)0.349Vcc（此時阻(zu)值降低(di)），使能門限為(wei)0.017Vcc。

　　設RNTC熱解扣點和冷解扣點時的電阻值分別是RHOT和RCOLD，RHOT和RCOLD與R25之比率分別是rHOT和rCOLD，根據圖3可得：
　　由式（1）和式（2）得：
　　RHOT=0.536RNOM            （3）
　　RCOLD=3.25RNOM             （4）

　　RNOM=R25=100kΩ條件下，rHOT=0.536，rCOLD=3.25。對(dui)于(yu)Vishay公司的(de)NTHS0603N011-N1003F來說，當(dang)溫度升高(gao)其電(dian)(dian)阻(zu)值降至R25（100kΩ）的(de)0.536倍(bei)（約54kΩ）時(shi)，相應的(de)溫度約為40℃，充電(dian)(dian)器(qi)將暫停充電(dian)(dian)；當(dang)RNTC電(dian)(dian)阻(zu)值增加到R25的(de)3.25倍(bei)（即325kΩ）時(shi)，對(dui)應的(de)溫度是0℃，充電(dian)(dian)器(qi)也會中止充電(dian)(dian)。很顯(xian)然(ran)，只有當(dang)電(dian)(dian)池溫度高(gao)于(yu)0℃而低(di)于(yu)40℃時(shi)，充電(dian)(dian)器(qi)才會充電(dian)(dian)。

　　如圖4所示，如果RNTC再加進一個偏置電阻R1，則可以將解扣點溫度改變。若冷和熱解扣點設置在0℃和45℃，根據Vishay公司提供的數據，rCOLD=3.266，rHOT=0.4368，偏置電阻RNOM值為：
 
　　誤差最接近(jin)1%的(de)電(dian)阻值是105kΩ。

　　附(fu)加電阻R1值為：

　　R1=0.536RNOM-rHOT?R25=0.536×105kΩ-0.436×100kΩ=12.6kΩ

　　誤差最(zui)接近1%的(de)電阻值是12.7kΩ。

　　RNOM和R1按以上計算結果(guo)選(xuan)擇，當電池溫度升至(zhi)45℃或降為0℃時(shi)，充(chong)電器都將(jiang)暫停(ting)充(chong)電。

圖4  帶附(fu)加偏置電阻(zu)的(de)NTC

3.2  降壓(ya)開(kai)關穩壓(ya)器(qi)

　　LTC3558的(de)電流模(mo)式降壓開關穩壓器(qi)主(zhu)要由(you)PWM控制器(qi)、主(zhu)開關P溝(gou)道MOSFET（MP）、N溝(gou)道MOSFET（MN）同(tong)步整流器(qi)及誤差放(fang)大(da)器(qi)等組(zu)成，如(ru)圖5所示。

 

圖(tu)5  降(jiang)壓開(kai)關穩壓器電(dian)路

　　LTC3558還含有軟(ruan)啟動、短路(lu)保護和(he)減小(xiao)輻射EM1的開關節點擺幅限制電路(lu)。

　　降壓(ya)(ya)(ya)(ya)穩壓(ya)(ya)(ya)(ya)器(qi)可以提供直到400mA的電(dian)流，最(zui)低(di)輸出電(dian)壓(ya)(ya)(ya)(ya)為(wei)0.8V。降壓(ya)(ya)(ya)(ya)穩壓(ya)(ya)(ya)(ya)器(qi)輸出電(dian)壓(ya)(ya)(ya)(ya)可通過IC引腳FB1上的R1/R2來(lai)編(bian)程，其(qi)值為(wei)VOUT=0.8V（1+R1+R2）。R1取值范圍(wei)為(wei)40kΩ~1MΩ，CFB容(rong)量(liang)在2PF與22PF之間。

　　通過IC引腳MODE，可以(yi)設置開關穩壓器的突發操作模式(shi)或脈沖(chong)跳越模式(shi)。

　　3.2.1  脈沖跳(tiao)越模式(shi)（Pulse Skip Mode）

　　在(zai)(zai)(zai)脈沖(chong)(chong)跳越模式(shi)(shi)，誤差放大器調節峰值電(dian)(dian)(dian)感器電(dian)(dian)(dian)流(liu)(liu)，以(yi)(yi)(yi)交付所需(xu)要的(de)輸(shu)出(chu)(chu)功率。在(zai)(zai)(zai)輕載(zai)時，在(zai)(zai)(zai)每個脈沖(chong)(chong)上電(dian)(dian)(dian)感電(dian)(dian)(dian)流(liu)(liu)可以(yi)(yi)(yi)達到零（關斷同步(bu)整(zheng)流(liu)(liu)器MIN），在(zai)(zai)(zai)不連(lian)續模式(shi)(shi)操作。在(zai)(zai)(zai)非常輕的(de)負載(zai)下，降壓(ya)(ya)(ya)開(kai)關穩壓(ya)(ya)(ya)器將會自動跳過脈沖(chong)(chong)，以(yi)(yi)(yi)維持輸(shu)出(chu)(chu)電(dian)(dian)(dian)壓(ya)(ya)(ya)調節。在(zai)(zai)(zai)高占空因數(shu)（VOUT>PVIN1/2）時，電(dian)(dian)(dian)感電(dian)(dian)(dian)流(liu)(liu)可能(neng)會反向，致使(shi)降壓(ya)(ya)(ya)變換器開(kai)關連(lian)續。欲利用脈沖(chong)(chong)跳越模式(shi)(shi)，需(xu)使(shi)IC引(yin)腳MODE保持低電(dian)(dian)(dian)平。

　　3.2.2  突發(fa)模式（Burst Mode）

　　將IC引腳MODE拉至高(gao)(gao)電(dian)平(ping)，降(jiang)壓變換(huan)器(qi)將在(zai)(zai)突發模(mo)式(shi)操(cao)作，自(zi)動在(zai)(zai)固定頻率PWM操(cao)作與滯后(hou)控制之(zhi)間轉(zhuan)換(huan)。當輸出電(dian)容的充電(dian)電(dian)壓稍高(gao)(gao)于調節點時，降(jiang)壓變換(huan)器(qi)則自(zi)動進入(ru)睡眠模(mo)式(shi)。在(zai)(zai)睡眠模(mo)式(shi)，開(kai)關穩壓器(qi)的大多數電(dian)路將切斷電(dian)源，因此在(zai)(zai)輕載(zai)時有著比脈沖(chong)跳躍模(mo)式(shi)更(geng)高(gao)(gao)的效率。

　　3.3  降壓(ya)(ya)-升壓(ya)(ya)開(kai)關穩壓(ya)(ya)器(qi)

　　LTC3558的(de)降(jiang)壓-升壓開(kai)關(guan)穩壓器(qi)(qi)在電(dian)(dian)壓模式和2.25MHz的(de)固定頻率上操作，能提(ti)供直(zhi)到400mA的(de)輸(shu)出負載電(dian)(dian)流(liu)，輸(shu)出電(dian)(dian)壓可在2.75V與(yu)5.45V之(zhi)間來編程(cheng)，其值為(wei)VOUT2=0.8V(1+R1+R2)。R1與(yu)R2為(wei)IC引腳FB2上的(de)分壓器(qi)(qi)電(dian)(dian)阻，如圖6所(suo)示。

　　當(dang)輸入電壓(ya)遠高于輸出(chu)電壓(ya)時，穩(wen)壓(ya)器(qi)工作在降壓(ya)模(mo)式；當(dang)輸入電壓(ya)遠低于輸出(chu)電壓(ya)時，穩(wen)壓(ya)器(qi)則在升壓(ya)模(mo)式操(cao)作。

　　3.3.1  PWM操(cao)作模式與突發(fa)模式操(cao)作

　　通(tong)過將(jiang)IC引腳(jiao)保(bao)持(chi)低電平，降壓(ya)-升(sheng)壓(ya)變換器將(jiang)進入PWM操(cao)作模式。在適度(du)的重(zhong)載條件下(xia)，在定(ding)頻PWM操(cao)作有著最小的開關噪聲。

　　若將(jiang)IC引(yin)腳MODE拉至高(gao)電(dian)平，穩壓器將(jiang)進(jin)入突發模式(shi)。在(zai)(zai)(zai)較輕的負載下，在(zai)(zai)(zai)突發模式(shi)操作，輸出(chu)電(dian)流(liu)被限制在(zai)(zai)(zai)50mA。當輸出(chu)電(dian)容上的充電(dian)電(dian)壓稍高(gao)于調節點時(shi)，穩壓器則進(jin)入睡眠模式(shi)。在(zai)(zai)(zai)突發模式(shi)操作，能(neng)使開關損耗大大降低，易于滿足輕載效率標準要求。

　　3.3.2  環(huan)路補(bu)償

　　降壓-升壓開關穩壓器可以采用簡單的I型補(bu)償(chang)（見圖7）

　　IC引腳FB2是誤差(cha)放大(da)器反相輸(shu)入端(duan)，引腳VC2是誤差(cha)放大(da)器輸(shu)出端(duan)。誤差(cha)放大(da)器單位增益頻(pin)率fUG可(ke)表示為(wei)：

　　圖8所示為(wei)誤差放大器環(huan)路(lu)的III型補(bu)償網絡，其(qi)傳輸函數為(wei)：

圖(tu)8  III型補償電路

　　式中，s為傳(chuan)輸(shu)系數。

　　III型補(bu)償網絡(luo)可獲得較大的頻帶寬度(du)，改(gai)善瞬態響應(ying)，減小(xiao)啟動時VOUT2產生的過沖。對于(yu)3.3V的輸出(chu)，補(bu)償元件推薦值分別(bie)為：R1=324kΩ，RFB=105 kΩ，C1=10pF，R2=15 kΩ，C2=330pF，R3=121 kΩ，C3=33pF及(ji)COUT=22μF和LOUT=2. 2μH。

　　4、實際應用電路

　　LTC3558可以(yi)在沒有電(dian)池連接(jie)到引腳BAT上的情況下操作，如(ru)圖(tu)9所示。

圖9  LTC3558可以(yi)在無電池連(lian)接時操作

　　降(jiang)壓(ya)(ya)開關穩壓(ya)(ya)器輸出(chu)為1.8V（@400mA），降(jiang)壓(ya)(ya)-升(sheng)壓(ya)(ya)開關穩壓(ya)(ya)器輸出(chu)為3.3V（@400mA）。在(zai)IC引腳SWAB2與SWCD2之(zhi)間連接的2.2μH的電(dian)感器為降(jiang)壓(ya)(ya)-升(sheng)壓(ya)(ya)穩壓(ya)(ya)器的輸出(chu)電(dian)感器。NTC熱敏電(dian)阻(zu)（R25=100kΩ）的偏(pian)置電(dian)阻(zu)分別為110kΩ和(he)28.7kΩ，故充電(dian)器的熱和(he)冷(leng)解扣點分別設置在(zai)55℃和(he)0℃。在(zai)IC引腳BAT上(shang)連接的1Ω的電(dian)阻(zu)和(he)4.7μF的電(dian)容，可保(bao)證充電(dian)器穩定。

　　從墻上AC適(shi)配器加電(dian)的LTC3558應用電(dian)路如圖10所示(shi)。

圖10  從(cong)墻上適配器加電(dian)的應用電(dian)路(lu)

　　其(qi)充(chong)電(dian)(dian)器的(de)充(chong)電(dian)(dian)電(dian)(dian)流(liu)可達950mA，降壓(ya)開關穩壓(ya)器的(de)輸出為1.2V（@400mA），降壓(ya)-升壓(ya)開關穩壓(ya)器的(de)輸出為3.3V（@400mA）。充(chong)電(dian)(dian)器通過NTC熱敏電(dian)(dian)阻將電(dian)(dian)池溫度解扣點設(she)置在0℃和40℃，LED用作充(chong)電(dian)(dian)狀態(tai)指示。

　　5、結束語

　　LTC3558是一種帶兩個高效開關穩壓器的USB充電器，它是為(wei)應用于小功率手持式(shi)設備(bei)而專門設計的。直達(da)950mA的可編(bian)程(cheng)充電(dian)電(dian)流(liu)(liu)可對單(dan)節(jie)鋰(li)離(li)子或(huo)聚合物(wu)電(dian)池(chi)充電(dian)，在充電(dian)過(guo)程(cheng)中電(dian)池(chi)狀態(tai)被監(jian)視，4h的安全定時(shi)器期滿時(shi)控(kong)制(zhi)充電(dian)器終止(zhi)。利用NTC熱敏電(dian)阻來測量電(dian)池(chi)溫(wen)度并(bing)設置電(dian)池(chi)充電(dian)時(shi)的溫(wen)度范(fan)圍。LTC3558降(jiang)壓和降(jiang)壓-升(sheng)壓開關穩壓器輸出電(dian)壓均可編(bian)程(cheng)，效率高于90%，分別能提(ti)供(gong)直到400mA的輸出電(dian)流(liu)(liu)，為(wei)微控(kong)制(zhi)器內核及(ji)其(qi)I/O、存儲器、磁盤驅(qu)動器或(huo)其(qi)它邏(luo)輯電(dian)路供(gong)電(dian)。