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)算法，可(ke)以從USB電(dian)(dian)源(yuan)汲取功率，也可(ke)以利用墻上(shang)AC適配器對(dui)單節鋰離子/聚合物電(dian)(dian)池充電(dian)(dian)，可(ke)編(bian)程(cheng)最(zui)大充電(dian)(dian)電(dian)(dian)流達950mA。LTC3558的降(jiang)壓(ya)開(kai)關穩(wen)壓(ya)器和降(jiang)壓(ya)-升壓(ya)開(kai)關穩(wen)壓(ya)器，在2.25MHz的固(gu)定頻率上(shang)操作，輸出(chu)電(dian)(dian)壓(ya)可(ke)編(bian)程(cheng)，效率高于90%，能分別提供400mA的電(dian)(dian)流，為微(wei)控(kong)制(zhi)器內核、微(wei)控(kong)制(zhi)器I/O、存(cun)儲(chu)器、磁盤驅(qu)動(dong)器或(huo)其它邏輯電(dian)(dian)路加電(dian)(dian)。

　　2、LTC3558封裝、內部結(jie)構及引腳功能

　　LTC3558采用(yong)3mm×3mm×0.75mm的(de)21引腳(jiao)QFN封裝，引腳(jiao)排列(lie)如圖1所(suo)示。

圖1  LTC3558引腳(jiao)排列

　　LTC3558含(han)有一(yi)個(ge)線性USB電(dian)(dian)(dian)池充電(dian)(dian)(dian)器、一(yi)個(ge)電(dian)(dian)(dian)流模(mo)式降(jiang)壓(ya)（buck）開關(guan)穩壓(ya)器和一(yi)個(ge)電(dian)(dian)(dian)壓(ya)模(mo)式降(jiang)壓(ya)-升壓(ya)（buck-boost）開關(guan)穩壓(ya)器，其內部電(dian)(dian)(dian)路組成框(kuang)圖如圖２所示。

圖2  LTC3558內部電路

　　LTC3558各個(ge)引腳功能簡述如表1所示。

表1  LTC3558引腳功(gong)能

　　3、LTC3558功能與工作原理(li)

　　3.1  電池(chi)充(chong)電器 

　　3.1.1  欠(qian)電(dian)壓鎖(suo)定（UVLO）

　　IC（LTC3558）的UVLO電(dian)路監(jian)視輸入(ru)電(dian)壓Vcc，其值(zhi)范圍為4.3~5.5V。在(zai)Vcc升高(gao)到(dao)VUVLO（4V）以(yi)上之前，充(chong)電(dian)器(qi)失(shi)能；當Vcc降落(luo)到(dao)電(dian)池電(dian)壓VBAT的50mV之內時，充(chong)電(dian)器(qi)也將(jiang)失(shi)效。

　　3.1.2  暫(zan)停模式

　　通(tong)過將IC引腳SUSP上拉到1.2V以上，充(chong)電器同樣(yang)會(hui)失效。在暫停(ting)模式，電池僅吸收1.5μA的電流(liu)(liu)，輸入(ru)電流(liu)(liu)Icc減小到8. 5μA。

　　3.1.3  編(bian)程(cheng)充電電流

　　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度電(dian)流(liu)（C）的20%（即0.2C）。

　　3.1.4  充電時序

　　在充(chong)電(dian)(dian)(dian)周期(qi)開始(shi)時，充(chong)電(dian)(dian)(dian)器(qi)首(shou)先確定電(dian)(dian)(dian)池是否深度放電(dian)(dian)(dian)。如果(guo)電(dian)(dian)(dian)池電(dian)(dian)(dian)壓(ya)低于2.9V，充(chong)電(dian)(dian)(dian)器(qi)則自(zi)動進行涓流充(chong)電(dian)(dian)(dian)，充(chong)電(dian)(dian)(dian)電(dian)(dian)(dian)流為滿標度電(dian)(dian)(dian)流的10%（即(ji)0.1C）。如果(guo)電(dian)(dian)(dian)池電(dian)(dian)(dian)壓(ya)在2.9V以下持續時間達0.5h以上(shang)，充(chong)電(dian)(dian)(dian)器(qi)則終(zhong)止充(chong)電(dian)(dian)(dian)。

　　如(ru)果VBAT>2.9V，充電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)器則(ze)在(zai)恒流模式開始充電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)。當VBAT>4.105V時(shi)，充電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)器的充電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)流將大大減小(xiao)，則(ze)進入(ru)恒壓(ya)充電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)模式。如(ru)果IC內部4h的安全定時(shi)器期滿，電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)池充電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)將停止。如(ru)果電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)池電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)壓(ya)VBAT降至4.105V以下，充電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)器將自動開始重新充電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)。

　　在充(chong)電(dian)過程中(zhong)，如果芯(xin)片溫度(du)約達115℃，充(chong)電(dian)器將減小已編(bian)程的充(chong)電(dian)電(dian)流(liu)，以(yi)防止IC及其周圍功(gong)率元件因(yin)過熱而損壞。

　　3.1.5  充電(dian)狀(zhuang)態指示

　　IC引腳 通過(guo)微處理器或(huo)人工接口可以指示(shi)正在(zai)充電(dian)、不(bu)充電(dian)、電(dian)池無反(fan)應和電(dian)池溫(wen)度超(chao)出范圍四種可能狀態中的一(yi)種。比較(jiao)簡(jian)單的方法是利用LED作為指示(shi)器，將其串聯(lian)一(yi)個限(xian)流電(dian)阻連接在(zai)IC引腳 與Vcc之(zhi)間(jian)。

　　當(dang)充(chong)電開始后，IC引腳 為低電平，LED導通而(er)被點(dian)亮，無閃(shan)爍(shuo)現象發生(sheng)。

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

　　如果IC引(yin)腳NTC外部的NTC熱(re)敏(min)電阻出現故障，使電池溫(wen)度超出范圍，LED將出現閃爍(shuo)，頻率為1.5Hz，人眼很容易識(shi)別。

　　如果電(dian)(dian)池已(yi)壞或不良（電(dian)(dian)池電(dian)(dian)壓在2.9V以(yi)下超過(guo)0.5h），LED將在6.1Hz的頻率上閃爍，頻閃速率比NTC熱(re)敏電(dian)(dian)阻故障(zhang)要快得多。

　　3.1.6  用NTC熱敏電阻測量電池溫(wen)度

　　電(dian)池充(chong)電(dian)時的(de)溫度可利(li)用NTC熱(re)敏電(dian)阻來測量，典型電(dian)路如圖(tu)3所示(shi)。

 

圖3  典型NTC熱敏(min)電(dian)阻電(dian)路(lu)

　　圖(tu)中，RNTC為(wei)NTC熱敏電(dian)阻(zu)，應(ying)將其(qi)緊貼電(dian)池盒。RNTC在25℃時(shi)的電(dian)阻(zu)值R25=100kΩ，與偏(pian)置電(dian)阻(zu)RNOM值相等。IC引(yin)腳NTC內部較低(di)溫度（冷態(tai)）門限為(wei)0.765Vcc，較高(gao)溫度（熱態(tai)）門限為(wei)0.349Vcc（此時(shi)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。對于(yu)Vishay公司的NTHS0603N011-N1003F來說(shuo)，當溫度(du)升(sheng)高其(qi)電阻值降至R25（100kΩ）的0.536倍（約54kΩ）時(shi)(shi)，相(xiang)應的溫度(du)約為(wei)40℃，充(chong)(chong)電器將暫停充(chong)(chong)電；當RNTC電阻值增(zeng)加到R25的3.25倍（即325kΩ）時(shi)(shi)，對應的溫度(du)是0℃，充(chong)(chong)電器也會中止充(chong)(chong)電。很顯然，只有當電池(chi)溫度(du)高于(yu)0℃而低于(yu)40℃時(shi)(shi)，充(chong)(chong)電器才會充(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(wu)差最接近(jin)1%的電阻值(zhi)是105kΩ。

　　附加(jia)電(dian)阻(zu)R1值為：

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

　　誤差(cha)最接近(jin)1%的電阻值是12.7kΩ。

　　RNOM和R1按以上計算結果選(xuan)擇，當電池溫度升至45℃或降為0℃時(shi)，充(chong)電器都(dou)將(jiang)暫停充(chong)電。

圖4  帶附加偏置電阻的NTC

3.2  降(jiang)壓開關穩壓器(qi)

　　LTC3558的電(dian)流模式降壓(ya)開關穩壓(ya)器主(zhu)要由(you)PWM控制器、主(zhu)開關P溝道MOSFET（MP）、N溝道MOSFET（MN）同步整流器及誤差放(fang)大器等組成(cheng)，如圖(tu)5所(suo)示。

 

圖5  降壓(ya)開關穩壓(ya)器(qi)電路(lu)

　　LTC3558還含有(you)軟啟(qi)動、短(duan)路保護和減小輻射(she)EM1的開關節點擺幅(fu)限制電路。

　　降(jiang)壓(ya)(ya)穩壓(ya)(ya)器可以(yi)提供直到400mA的電流(liu)，最(zui)低輸出電壓(ya)(ya)為0.8V。降(jiang)壓(ya)(ya)穩壓(ya)(ya)器輸出電壓(ya)(ya)可通過(guo)IC引(yin)腳FB1上的R1/R2來(lai)編程，其值為VOUT=0.8V（1+R1+R2）。R1取值范圍為40kΩ~1MΩ，CFB容(rong)量在2PF與(yu)22PF之間。

　　通(tong)過IC引腳MODE，可(ke)以設(she)置開關穩壓器的突發操作模式(shi)或脈沖跳(tiao)越(yue)模式(shi)。

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

　　在脈(mo)沖跳(tiao)(tiao)越模(mo)式，誤差放大器(qi)(qi)(qi)調節峰值(zhi)電(dian)(dian)(dian)感(gan)器(qi)(qi)(qi)電(dian)(dian)(dian)流(liu)(liu)，以(yi)交付所需(xu)要的輸出(chu)功率。在輕載時(shi)，在每(mei)個脈(mo)沖上電(dian)(dian)(dian)感(gan)電(dian)(dian)(dian)流(liu)(liu)可(ke)以(yi)達到零(ling)（關(guan)斷(duan)同步整流(liu)(liu)器(qi)(qi)(qi)MIN），在不連(lian)續模(mo)式操(cao)作。在非常輕的負載下，降壓(ya)開關(guan)穩壓(ya)器(qi)(qi)(qi)將會自動跳(tiao)(tiao)過脈(mo)沖，以(yi)維(wei)持輸出(chu)電(dian)(dian)(dian)壓(ya)調節。在高占(zhan)空因數（VOUT>PVIN1/2）時(shi)，電(dian)(dian)(dian)感(gan)電(dian)(dian)(dian)流(liu)(liu)可(ke)能會反向，致(zhi)使降壓(ya)變換(huan)器(qi)(qi)(qi)開關(guan)連(lian)續。欲(yu)利用脈(mo)沖跳(tiao)(tiao)越模(mo)式，需(xu)使IC引腳MODE保持低電(dian)(dian)(dian)平。

　　3.2.2  突(tu)發模式（Burst Mode）

　　將(jiang)IC引腳MODE拉至(zhi)高電(dian)平，降壓(ya)變(bian)換器將(jiang)在突發(fa)模(mo)式操(cao)作，自(zi)動在固定頻率(lv)PWM操(cao)作與(yu)滯(zhi)后(hou)控制之間轉換。當(dang)輸出電(dian)容的充(chong)電(dian)電(dian)壓(ya)稍高于(yu)調節點時，降壓(ya)變(bian)換器則(ze)自(zi)動進入睡眠模(mo)式。在睡眠模(mo)式，開關穩壓(ya)器的大(da)多(duo)數電(dian)路將(jiang)切斷電(dian)源，因此(ci)在輕載(zai)時有(you)著(zhu)比脈沖跳躍模(mo)式更高的效率(lv)。

　　3.3  降壓(ya)-升壓(ya)開關(guan)穩壓(ya)器

　　LTC3558的(de)降壓-升壓開關穩壓器(qi)在電(dian)壓模式(shi)和2.25MHz的(de)固定頻率上(shang)操作，能提(ti)供(gong)直到400mA的(de)輸(shu)出負載電(dian)流，輸(shu)出電(dian)壓可在2.75V與5.45V之間來編(bian)程，其值為VOUT2=0.8V(1+R1+R2)。R1與R2為IC引腳FB2上(shang)的(de)分壓器(qi)電(dian)阻，如圖6所示(shi)。

　　當輸入電(dian)壓(ya)(ya)(ya)(ya)遠高于輸出電(dian)壓(ya)(ya)(ya)(ya)時(shi)(shi)，穩壓(ya)(ya)(ya)(ya)器工作在(zai)(zai)降壓(ya)(ya)(ya)(ya)模(mo)式(shi)；當輸入電(dian)壓(ya)(ya)(ya)(ya)遠低于輸出電(dian)壓(ya)(ya)(ya)(ya)時(shi)(shi)，穩壓(ya)(ya)(ya)(ya)器則(ze)在(zai)(zai)升壓(ya)(ya)(ya)(ya)模(mo)式(shi)操作。

　　3.3.1  PWM操(cao)作模式與突發模式操(cao)作

　　通過(guo)將IC引腳保持低電平，降(jiang)壓-升(sheng)壓變(bian)換器將進(jin)入PWM操作模式。在適度的重(zhong)載條件下(xia)，在定頻(pin)PWM操作有著最(zui)小的開關噪聲。

　　若將IC引腳(jiao)MODE拉至高(gao)電(dian)(dian)(dian)平，穩(wen)壓器(qi)將進入突(tu)發(fa)模(mo)式。在較輕的負載下，在突(tu)發(fa)模(mo)式操作，輸出電(dian)(dian)(dian)流被(bei)限制在50mA。當輸出電(dian)(dian)(dian)容上的充電(dian)(dian)(dian)電(dian)(dian)(dian)壓稍高(gao)于調節點時，穩(wen)壓器(qi)則進入睡眠模(mo)式。在突(tu)發(fa)模(mo)式操作，能使(shi)開關損耗大大降低，易于滿足(zu)輕載效率標準要求。

　　3.3.2  環路補償

　　降壓(ya)-升壓(ya)開關穩壓(ya)器(qi)可以采用簡單(dan)的I型補償（見圖7）

　　IC引腳FB2是誤(wu)差(cha)放大(da)器反相輸(shu)入端，引腳VC2是誤(wu)差(cha)放大(da)器輸(shu)出端。誤(wu)差(cha)放大(da)器單位增益(yi)頻率(lv)fUG可表示為：

　　圖8所示為誤(wu)差放大(da)器環(huan)路的III型補償網絡，其傳輸函數(shu)為：

圖8  III型(xing)補(bu)償(chang)電(dian)路

　　式中，s為傳(chuan)輸系數。

　　III型補償網絡(luo)可獲得較大的(de)頻帶寬度，改善(shan)瞬態響應，減小(xiao)啟動時(shi)VOUT2產生(sheng)的(de)過沖。對(dui)于3.3V的(de)輸出，補償元件推薦值(zhi)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、實際應用電(dian)路

　　LTC3558可以在沒有電池連接到引腳(jiao)BAT上的情況下操作，如圖9所(suo)示。

圖9  LTC3558可(ke)以在無電池連接時操作(zuo)

　　降(jiang)壓(ya)(ya)開(kai)關(guan)穩壓(ya)(ya)器(qi)(qi)輸出為1.8V（@400mA），降(jiang)壓(ya)(ya)-升壓(ya)(ya)開(kai)關(guan)穩壓(ya)(ya)器(qi)(qi)輸出為3.3V（@400mA）。在IC引腳SWAB2與SWCD2之間連接的(de)(de)(de)2.2μH的(de)(de)(de)電感器(qi)(qi)為降(jiang)壓(ya)(ya)-升壓(ya)(ya)穩壓(ya)(ya)器(qi)(qi)的(de)(de)(de)輸出電感器(qi)(qi)。NTC熱(re)敏電阻(zu)(zu)（R25=100kΩ）的(de)(de)(de)偏置電阻(zu)(zu)分別為110kΩ和28.7kΩ，故充電器(qi)(qi)的(de)(de)(de)熱(re)和冷解(jie)扣點分別設置在55℃和0℃。在IC引腳BAT上連接的(de)(de)(de)1Ω的(de)(de)(de)電阻(zu)(zu)和4.7μF的(de)(de)(de)電容，可(ke)保證充電器(qi)(qi)穩定。

　　從墻上AC適配器加電(dian)的LTC3558應(ying)用電(dian)路如圖10所示。

圖10  從墻上適(shi)配(pei)器加(jia)電(dian)的應用(yong)電(dian)路

　　其充電(dian)器(qi)的(de)充電(dian)電(dian)流(liu)可達950mA，降(jiang)壓開關穩壓器(qi)的(de)輸(shu)出(chu)為(wei)1.2V（@400mA），降(jiang)壓-升壓開關穩壓器(qi)的(de)輸(shu)出(chu)為(wei)3.3V（@400mA）。充電(dian)器(qi)通過NTC熱敏電(dian)阻將電(dian)池溫(wen)度解扣(kou)點設置在0℃和40℃，LED用作(zuo)充電(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(ta)是為應用于小功率(lv)手持式設備而(er)專(zhuan)門(men)設計(ji)的。直達(da)950mA的可(ke)(ke)編程(cheng)(cheng)充(chong)電(dian)(dian)(dian)(dian)電(dian)(dian)(dian)(dian)流(liu)可(ke)(ke)對單節(jie)鋰離(li)子或聚合物電(dian)(dian)(dian)(dian)池(chi)充(chong)電(dian)(dian)(dian)(dian)，在充(chong)電(dian)(dian)(dian)(dian)過(guo)程(cheng)(cheng)中(zhong)電(dian)(dian)(dian)(dian)池(chi)狀態被監視(shi)，4h的安全定時(shi)(shi)器(qi)期滿時(shi)(shi)控(kong)制充(chong)電(dian)(dian)(dian)(dian)器(qi)終止。利用NTC熱敏電(dian)(dian)(dian)(dian)阻來測量電(dian)(dian)(dian)(dian)池(chi)溫度并設置(zhi)電(dian)(dian)(dian)(dian)池(chi)充(chong)電(dian)(dian)(dian)(dian)時(shi)(shi)的溫度范圍。LTC3558降(jiang)壓(ya)和降(jiang)壓(ya)-升壓(ya)開關穩壓(ya)器(qi)輸(shu)出電(dian)(dian)(dian)(dian)壓(ya)均可(ke)(ke)編程(cheng)(cheng)，效(xiao)率(lv)高于90%，分別(bie)能(neng)提(ti)供直到400mA的輸(shu)出電(dian)(dian)(dian)(dian)流(liu)，為微控(kong)制器(qi)內核及其I/O、存儲器(qi)、磁盤驅動器(qi)或其它(ta)邏(luo)輯電(dian)(dian)(dian)(dian)路供電(dian)(dian)(dian)(dian)。