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(heng)流(liu)(liu)/恒(heng)壓(ya)(ya)算法(fa)，可(ke)以(yi)從USB電(dian)(dian)源汲取(qu)功率(lv)，也可(ke)以(yi)利用墻上AC適配(pei)器(qi)(qi)(qi)對單節(jie)鋰離子/聚合物電(dian)(dian)池充電(dian)(dian)，可(ke)編程最大充電(dian)(dian)電(dian)(dian)流(liu)(liu)達950mA。LTC3558的降壓(ya)(ya)開關穩(wen)壓(ya)(ya)器(qi)(qi)(qi)和降壓(ya)(ya)-升壓(ya)(ya)開關穩(wen)壓(ya)(ya)器(qi)(qi)(qi)，在(zai)2.25MHz的固定頻率(lv)上操作，輸出電(dian)(dian)壓(ya)(ya)可(ke)編程，效(xiao)率(lv)高于90%，能分別提供400mA的電(dian)(dian)流(liu)(liu)，為微(wei)控(kong)制器(qi)(qi)(qi)內核(he)、微(wei)控(kong)制器(qi)(qi)(qi)I/O、存儲器(qi)(qi)(qi)、磁(ci)盤驅動器(qi)(qi)(qi)或其它邏輯電(dian)(dian)路加電(dian)(dian)。

　　2、LTC3558封裝(zhuang)、內部(bu)結構及(ji)引腳功能(neng)

　　LTC3558采用3mm×3mm×0.75mm的(de)21引腳QFN封裝，引腳排(pai)列如圖1所示。

圖1  LTC3558引腳排列

　　LTC3558含有一(yi)個線(xian)性USB電(dian)(dian)(dian)池充電(dian)(dian)(dian)器、一(yi)個電(dian)(dian)(dian)流模式降壓(ya)（buck）開(kai)關(guan)穩壓(ya)器和一(yi)個電(dian)(dian)(dian)壓(ya)模式降壓(ya)-升壓(ya)（buck-boost）開(kai)關(guan)穩壓(ya)器，其內部電(dian)(dian)(dian)路組成框圖(tu)如圖(tu)２所示。

圖2  LTC3558內(nei)部電路

　　LTC3558各個引腳功(gong)能簡述如(ru)表1所示。

表1  LTC3558引腳功能

　　3、LTC3558功能(neng)與工作原理

　　3.1  電(dian)池(chi)充電(dian)器 

　　3.1.1  欠電壓鎖定（UVLO）

　　IC（LTC3558）的(de)UVLO電(dian)(dian)路監視輸入電(dian)(dian)壓Vcc，其值范圍為4.3~5.5V。在Vcc升高到(dao)VUVLO（4V）以(yi)上(shang)之(zhi)(zhi)前，充(chong)電(dian)(dian)器失能；當Vcc降落到(dao)電(dian)(dian)池(chi)電(dian)(dian)壓VBAT的(de)50mV之(zhi)(zhi)內時，充(chong)電(dian)(dian)器也(ye)將失效。

　　3.1.2  暫停模(mo)式

　　通過將IC引腳SUSP上拉到1.2V以上，充電(dian)器同樣會(hui)失效。在暫停(ting)模(mo)式，電(dian)池(chi)僅吸收1.5μA的電(dian)流，輸入電(dian)流Icc減(jian)小到8. 5μA。

　　3.1.3  編程充(chong)電電流

　　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(biao)度電流（C）的(de)20%（即0.2C）。

　　3.1.4  充電時序

　　在充(chong)(chong)電(dian)(dian)(dian)周期開始(shi)時，充(chong)(chong)電(dian)(dian)(dian)器(qi)首先(xian)確定電(dian)(dian)(dian)池(chi)是否深度放電(dian)(dian)(dian)。如(ru)果電(dian)(dian)(dian)池(chi)電(dian)(dian)(dian)壓低于2.9V，充(chong)(chong)電(dian)(dian)(dian)器(qi)則自動進行涓流充(chong)(chong)電(dian)(dian)(dian)，充(chong)(chong)電(dian)(dian)(dian)電(dian)(dian)(dian)流為滿(man)標度電(dian)(dian)(dian)流的10%（即0.1C）。如(ru)果電(dian)(dian)(dian)池(chi)電(dian)(dian)(dian)壓在2.9V以下持續(xu)時間達0.5h以上，充(chong)(chong)電(dian)(dian)(dian)器(qi)則終(zhong)止充(chong)(chong)電(dian)(dian)(dian)。

　　如果VBAT>2.9V，充(chong)(chong)電(dian)(dian)(dian)器(qi)則在(zai)恒流模式開始充(chong)(chong)電(dian)(dian)(dian)。當VBAT>4.105V時，充(chong)(chong)電(dian)(dian)(dian)器(qi)的(de)充(chong)(chong)電(dian)(dian)(dian)電(dian)(dian)(dian)流將(jiang)大大減小，則進入恒壓充(chong)(chong)電(dian)(dian)(dian)模式。如果IC內部(bu)4h的(de)安(an)全定時器(qi)期滿，電(dian)(dian)(dian)池充(chong)(chong)電(dian)(dian)(dian)將(jiang)停止。如果電(dian)(dian)(dian)池電(dian)(dian)(dian)壓VBAT降(jiang)至4.105V以下，充(chong)(chong)電(dian)(dian)(dian)器(qi)將(jiang)自動開始重新充(chong)(chong)電(dian)(dian)(dian)。

　　在充電(dian)過程中，如果芯片溫度約達115℃，充電(dian)器(qi)將減(jian)小已編程的充電(dian)電(dian)流，以防止(zhi)IC及其周圍功(gong)率元件因過熱而損壞(huai)。

　　3.1.5  充(chong)電狀態指示

　　IC引(yin)腳(jiao) 通過(guo)微(wei)處理(li)器或人工接口可以(yi)指示正在充電(dian)、不充電(dian)、電(dian)池無反應和電(dian)池溫度超(chao)出范圍四種可能狀(zhuang)態(tai)中(zhong)的(de)(de)一種。比(bi)較簡單的(de)(de)方法是(shi)利用LED作為指示器，將(jiang)其(qi)串(chuan)聯一個限流電(dian)阻連接在IC引(yin)腳(jiao) 與Vcc之間。

　　當充電(dian)開始后，IC引(yin)腳 為低電(dian)平，LED導通而被(bei)點(dian)亮(liang)，無閃爍現象發生。

　　當充(chong)電(dian)電(dian)流(liu)降至滿標度(du)電(dian)流(liu)的10%（即0.1C）以下時，引腳 釋放(fang)，呈現(xian)高阻(zu)抗，LED熄(xi)滅。

　　如果IC引腳NTC外(wai)部的NTC熱敏電阻出現故(gu)障，使電池溫度超出范圍，LED將出現閃爍，頻率為1.5Hz，人眼很容易識別(bie)。

　　如果(guo)電(dian)(dian)池已壞(huai)或不(bu)良（電(dian)(dian)池電(dian)(dian)壓在2.9V以下超過0.5h），LED將在6.1Hz的頻率上閃(shan)爍，頻閃(shan)速(su)率比NTC熱(re)敏電(dian)(dian)阻故障要快得多(duo)。

　　3.1.6  用(yong)NTC熱敏(min)電阻測量電池溫度

　　電池充電時的溫度可利用NTC熱敏電阻來測量，典(dian)型電路如圖3所(suo)示(shi)。

 

圖3  典型NTC熱敏電阻電路

　　圖中，RNTC為(wei)NTC熱敏電阻，應(ying)將其緊(jin)貼電池(chi)盒(he)。RNTC在25℃時的(de)電阻值(zhi)R25=100kΩ，與(yu)偏置(zhi)電阻RNOM值(zhi)相等。IC引腳(jiao)NTC內(nei)部較低溫(wen)度(du)（冷態）門(men)限(xian)為(wei)0.765Vcc，較高溫(wen)度(du)（熱態）門(men)限(xian)為(wei)0.349Vcc（此時阻值(zhi)降(jiang)低），使(shi)能門(men)限(xian)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(xia)，rHOT=0.536，rCOLD=3.25。對(dui)于Vishay公司的(de)NTHS0603N011-N1003F來(lai)說，當溫度(du)(du)升(sheng)高其電阻值降至R25（100kΩ）的(de)0.536倍（約54kΩ）時(shi)，相應的(de)溫度(du)(du)約為40℃，充(chong)(chong)電器(qi)(qi)將暫停充(chong)(chong)電；當RNTC電阻值增加到R25的(de)3.25倍（即325kΩ）時(shi)，對(dui)應的(de)溫度(du)(du)是0℃，充(chong)(chong)電器(qi)(qi)也會(hui)中止(zhi)充(chong)(chong)電。很顯然(ran)，只有當電池溫度(du)(du)高于0℃而低于40℃時(shi)，充(chong)(chong)電器(qi)(qi)才會(hui)充(chong)(chong)電。

　　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1%的(de)電阻(zu)值是105kΩ。

　　附加電阻R1值(zhi)為：

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

　　誤差最接近1%的電阻值(zhi)是12.7kΩ。

　　RNOM和R1按以上計算(suan)結果(guo)選擇(ze)，當(dang)電池溫度(du)升至45℃或降為0℃時，充電器都將(jiang)暫停充電。

圖4  帶附加(jia)偏置電阻的NTC

3.2  降壓(ya)(ya)開關穩(wen)壓(ya)(ya)器(qi)

　　LTC3558的電流模式降(jiang)壓(ya)開關穩(wen)壓(ya)器主要由PWM控制器、主開關P溝道(dao)MOSFET（MP）、N溝道(dao)MOSFET（MN）同步(bu)整流器及誤差(cha)放大器等組成，如圖5所示。

 

圖5  降壓(ya)開關(guan)穩壓(ya)器電路

　　LTC3558還含(han)有軟啟動、短路(lu)(lu)保護和減小輻射(she)EM1的(de)開關節點擺幅(fu)限制電(dian)路(lu)(lu)。

　　降壓(ya)穩壓(ya)器(qi)可(ke)以提供直到400mA的(de)電(dian)(dian)流(liu)，最低輸出(chu)電(dian)(dian)壓(ya)為0.8V。降壓(ya)穩壓(ya)器(qi)輸出(chu)電(dian)(dian)壓(ya)可(ke)通(tong)過IC引腳FB1上的(de)R1/R2來編程，其值為VOUT=0.8V（1+R1+R2）。R1取值范圍為40kΩ~1MΩ，CFB容量(liang)在2PF與22PF之間。

　　通過IC引腳(jiao)MODE，可以設置開關穩壓(ya)器的突發操(cao)作(zuo)模式或(huo)脈沖跳(tiao)越(yue)模式。

　　3.2.1  脈沖(chong)跳越模式（Pulse Skip Mode）

　　在(zai)脈(mo)沖跳(tiao)越(yue)模式(shi)(shi)(shi)，誤(wu)差(cha)放大器調(diao)節峰值電感器電流(liu)(liu)，以(yi)(yi)交付(fu)所需要的(de)輸出(chu)功率。在(zai)輕載時(shi)，在(zai)每個(ge)脈(mo)沖上電感電流(liu)(liu)可以(yi)(yi)達(da)到零（關斷同步(bu)整流(liu)(liu)器MIN），在(zai)不(bu)連續(xu)(xu)模式(shi)(shi)(shi)操作。在(zai)非(fei)常輕的(de)負載下，降(jiang)壓開關穩壓器將會(hui)自(zi)動跳(tiao)過脈(mo)沖，以(yi)(yi)維(wei)持輸出(chu)電壓調(diao)節。在(zai)高占(zhan)空因數（VOUT>PVIN1/2）時(shi)，電感電流(liu)(liu)可能會(hui)反(fan)向(xiang)，致使(shi)降(jiang)壓變換器開關連續(xu)(xu)。欲(yu)利(li)用脈(mo)沖跳(tiao)越(yue)模式(shi)(shi)(shi)，需使(shi)IC引腳(jiao)MODE保持低電平。

　　3.2.2  突發模式（Burst Mode）

　　將IC引(yin)腳MODE拉(la)至高電(dian)(dian)平，降壓變(bian)換(huan)器將在(zai)(zai)突發模(mo)(mo)(mo)式(shi)操作(zuo)(zuo)，自動(dong)在(zai)(zai)固定頻率PWM操作(zuo)(zuo)與滯后(hou)控制之間轉換(huan)。當輸(shu)出電(dian)(dian)容(rong)的(de)充電(dian)(dian)電(dian)(dian)壓稍高于(yu)調節點時，降壓變(bian)換(huan)器則自動(dong)進入睡眠(mian)模(mo)(mo)(mo)式(shi)。在(zai)(zai)睡眠(mian)模(mo)(mo)(mo)式(shi)，開關穩(wen)壓器的(de)大多數電(dian)(dian)路將切斷電(dian)(dian)源，因此在(zai)(zai)輕(qing)載(zai)時有著(zhu)比(bi)脈(mo)沖跳躍(yue)模(mo)(mo)(mo)式(shi)更高的(de)效率。

　　3.3  降壓-升壓開關穩壓器(qi)

　　LTC3558的(de)降壓(ya)-升(sheng)壓(ya)開關(guan)穩壓(ya)器(qi)(qi)在電(dian)壓(ya)模式和(he)2.25MHz的(de)固定頻率上操(cao)作，能提(ti)供直到400mA的(de)輸出負載電(dian)流(liu)，輸出電(dian)壓(ya)可在2.75V與5.45V之間來(lai)編程，其(qi)值(zhi)為(wei)VOUT2=0.8V(1+R1+R2)。R1與R2為(wei)IC引腳(jiao)FB2上的(de)分壓(ya)器(qi)(qi)電(dian)阻，如圖6所示。

　　當輸(shu)(shu)入電壓(ya)遠高于輸(shu)(shu)出(chu)電壓(ya)時，穩(wen)壓(ya)器(qi)工作在(zai)降(jiang)壓(ya)模(mo)式；當輸(shu)(shu)入電壓(ya)遠低于輸(shu)(shu)出(chu)電壓(ya)時，穩(wen)壓(ya)器(qi)則在(zai)升壓(ya)模(mo)式操作。

　　3.3.1  PWM操作模式(shi)與突發(fa)模式(shi)操作

　　通(tong)過(guo)將IC引腳(jiao)保持(chi)低電平，降壓-升壓變換(huan)器將進入PWM操作(zuo)模(mo)式。在適度的(de)重載條件下，在定頻(pin)PWM操作(zuo)有著最小的(de)開關噪聲。

　　若將IC引(yin)腳(jiao)MODE拉(la)至高電(dian)平，穩(wen)壓器(qi)將進入(ru)突(tu)發模(mo)(mo)(mo)式(shi)。在(zai)較輕的(de)負載下，在(zai)突(tu)發模(mo)(mo)(mo)式(shi)操作，輸出(chu)電(dian)流被限制(zhi)在(zai)50mA。當輸出(chu)電(dian)容上的(de)充電(dian)電(dian)壓稍高于調節(jie)點時，穩(wen)壓器(qi)則進入(ru)睡(shui)眠模(mo)(mo)(mo)式(shi)。在(zai)突(tu)發模(mo)(mo)(mo)式(shi)操作，能(neng)使開關損耗(hao)大大降低，易(yi)于滿足(zu)輕載效率標準(zhun)要求(qiu)。

　　3.3.2  環路補(bu)償

　　降(jiang)壓-升壓開(kai)關(guan)穩(wen)壓器可以采用(yong)簡單的I型補償(chang)（見(jian)圖7）

　　IC引(yin)腳(jiao)FB2是(shi)(shi)誤差(cha)放(fang)大(da)器(qi)(qi)反相輸入端，引(yin)腳(jiao)VC2是(shi)(shi)誤差(cha)放(fang)大(da)器(qi)(qi)輸出端。誤差(cha)放(fang)大(da)器(qi)(qi)單位增益(yi)頻率(lv)fUG可表示為(wei)：

　　圖8所示為誤差放大器環路的III型補(bu)償網絡，其傳輸(shu)函數(shu)為：

圖8  III型補償電路

　　式中，s為傳輸系數。

　　III型補償網絡可獲得較大的(de)頻帶寬度，改善(shan)瞬態響應(ying)，減小啟(qi)動(dong)時(shi)VOUT2產生的(de)過沖。對于3.3V的(de)輸出，補償元件推薦值分別為：R1=324kΩ，RFB=105 kΩ，C1=10pF，R2=15 kΩ，C2=330pF，R3=121 kΩ，C3=33pF及COUT=22μF和LOUT=2. 2μH。

　　4、實(shi)際應(ying)用電路

　　LTC3558可以在沒有電池(chi)連(lian)接到引(yin)腳BAT上(shang)的情況下(xia)操作(zuo)，如(ru)圖(tu)9所示(shi)。

圖(tu)9  LTC3558可以在無電池連(lian)接時操作

　　降(jiang)(jiang)壓(ya)開(kai)(kai)關穩(wen)壓(ya)器(qi)輸(shu)出為(wei)(wei)1.8V（@400mA），降(jiang)(jiang)壓(ya)-升(sheng)壓(ya)開(kai)(kai)關穩(wen)壓(ya)器(qi)輸(shu)出為(wei)(wei)3.3V（@400mA）。在(zai)IC引腳SWAB2與SWCD2之間連接(jie)的(de)(de)2.2μH的(de)(de)電感(gan)器(qi)為(wei)(wei)降(jiang)(jiang)壓(ya)-升(sheng)壓(ya)穩(wen)壓(ya)器(qi)的(de)(de)輸(shu)出電感(gan)器(qi)。NTC熱敏電阻(zu)(zu)(zu)（R25=100kΩ）的(de)(de)偏置(zhi)電阻(zu)(zu)(zu)分(fen)別(bie)為(wei)(wei)110kΩ和(he)(he)28.7kΩ，故充電器(qi)的(de)(de)熱和(he)(he)冷解扣(kou)點分(fen)別(bie)設置(zhi)在(zai)55℃和(he)(he)0℃。在(zai)IC引腳BAT上(shang)連接(jie)的(de)(de)1Ω的(de)(de)電阻(zu)(zu)(zu)和(he)(he)4.7μF的(de)(de)電容，可保證充電器(qi)穩(wen)定。

　　從墻(qiang)上(shang)AC適配(pei)器加(jia)電(dian)(dian)的LTC3558應用電(dian)(dian)路如圖10所示。

圖10  從墻上(shang)適配器(qi)加電的應用電路

　　其充(chong)電(dian)(dian)(dian)器的充(chong)電(dian)(dian)(dian)電(dian)(dian)(dian)流可達950mA，降壓開(kai)關穩(wen)壓器的輸(shu)出為1.2V（@400mA），降壓-升壓開(kai)關穩(wen)壓器的輸(shu)出為3.3V（@400mA）。充(chong)電(dian)(dian)(dian)器通過(guo)NTC熱敏電(dian)(dian)(dian)阻將電(dian)(dian)(dian)池溫度(du)解扣點(dian)設(she)置(zhi)在0℃和40℃，LED用作充(chong)電(dian)(dian)(dian)狀(zhuang)態指示。

　　5、結束語

　　LTC3558是一種帶兩個高效開關穩壓器的USB充電器，它(ta)是(shi)為(wei)應用(yong)于小(xiao)功率手(shou)持式設(she)備而專門設(she)計的(de)。直(zhi)達950mA的(de)可(ke)編(bian)程(cheng)充(chong)電電流可(ke)對單節鋰離子或(huo)聚合物電池(chi)充(chong)電，在(zai)充(chong)電過程(cheng)中電池(chi)狀(zhuang)態被監視，4h的(de)安全定時器(qi)(qi)期(qi)滿(man)時控制充(chong)電器(qi)(qi)終止。利用(yong)NTC熱(re)敏電阻來測量電池(chi)溫度(du)并設(she)置電池(chi)充(chong)電時的(de)溫度(du)范圍。LTC3558降壓(ya)和降壓(ya)-升壓(ya)開(kai)關穩壓(ya)器(qi)(qi)輸出電壓(ya)均可(ke)編(bian)程(cheng)，效率高于90%，分別能提供直(zhi)到400mA的(de)輸出電流，為(wei)微(wei)控制器(qi)(qi)內核及其(qi)I/O、存儲器(qi)(qi)、磁盤(pan)驅動器(qi)(qi)或(huo)其(qi)它(ta)邏(luo)輯電路供電。