兩個開關穩壓器的USB電池充電器
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(yong)恒(heng)流(liu)(liu)/恒(heng)壓算法，可(ke)(ke)以從(cong)USB電(dian)(dian)(dian)源汲取功率(lv)，也可(ke)(ke)以利(li)用(yong)墻上(shang)(shang)AC適配(pei)器(qi)對單節鋰離子/聚(ju)合物(wu)電(dian)(dian)(dian)池充電(dian)(dian)(dian)，可(ke)(ke)編程最大充電(dian)(dian)(dian)電(dian)(dian)(dian)流(liu)(liu)達950mA。LTC3558的降壓開(kai)關穩壓器(qi)和降壓-升壓開(kai)關穩壓器(qi)，在2.25MHz的固定頻(pin)率(lv)上(shang)(shang)操(cao)作，輸出電(dian)(dian)(dian)壓可(ke)(ke)編程，效率(lv)高于90%，能分別提供(gong)400mA的電(dian)(dian)(dian)流(liu)(liu)，為微控制(zhi)器(qi)內(nei)核、微控制(zhi)器(qi)I/O、存儲器(qi)、磁盤驅(qu)動器(qi)或其(qi)它邏輯電(dian)(dian)(dian)路加(jia)電(dian)(dian)(dian)。
2、LTC3558封裝、內部結構及引腳功能
LTC3558采用3mm×3mm×0.75mm的21引腳QFN封裝，引腳排列如圖1所示。
圖1 LTC3558引腳(jiao)排列
LTC3558含有(you)一個(ge)線(xian)性USB電(dian)池(chi)充(chong)電(dian)器(qi)、一個(ge)電(dian)流模式(shi)降壓（buck）開關穩壓器(qi)和一個(ge)電(dian)壓模式(shi)降壓-升壓（buck-boost）開關穩壓器(qi)，其(qi)內部電(dian)路組成框圖如圖２所示(shi)。
圖2 LTC3558內(nei)部電路(lu)
LTC3558各(ge)個引腳功(gong)能簡述如表1所示。
表1 LTC3558引(yin)腳(jiao)功(gong)能
3、LTC3558功(gong)能與工(gong)作原理
3.1 電池充電器
3.1.1 欠(qian)電壓鎖定（UVLO）
IC（LTC3558）的UVLO電路(lu)監視(shi)輸(shu)入電壓Vcc，其值范圍為4.3~5.5V。在Vcc升(sheng)高到VUVLO（4V）以上之(zhi)(zhi)前，充電器(qi)失(shi)能；當Vcc降落到電池電壓VBAT的50mV之(zhi)(zhi)內時(shi)，充電器(qi)也將失(shi)效(xiao)。
3.1.2 暫停(ting)模式
通過將IC引(yin)腳SUSP上拉到1.2V以上，充電(dian)(dian)器同樣會失效。在暫停模式，電(dian)(dian)池僅(jin)吸收1.5μA的電(dian)(dian)流，輸入(ru)電(dian)(dian)流Icc減(jian)小到8. 5μA。
3.1.3 編程充電電流
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(wei)滿標度電(dian)流（C）的20%（即0.2C）。
3.1.4 充電時序
在充(chong)電(dian)(dian)(dian)(dian)周(zhou)期開始時(shi)(shi)，充(chong)電(dian)(dian)(dian)(dian)器首先(xian)確定(ding)電(dian)(dian)(dian)(dian)池是否深(shen)度放(fang)電(dian)(dian)(dian)(dian)。如(ru)果電(dian)(dian)(dian)(dian)池電(dian)(dian)(dian)(dian)壓(ya)低于2.9V，充(chong)電(dian)(dian)(dian)(dian)器則(ze)自動(dong)進行涓(juan)流充(chong)電(dian)(dian)(dian)(dian)，充(chong)電(dian)(dian)(dian)(dian)電(dian)(dian)(dian)(dian)流為滿標(biao)度電(dian)(dian)(dian)(dian)流的(de)10%（即(ji)0.1C）。如(ru)果電(dian)(dian)(dian)(dian)池電(dian)(dian)(dian)(dian)壓(ya)在2.9V以下(xia)持續(xu)時(shi)(shi)間達0.5h以上(shang)，充(chong)電(dian)(dian)(dian)(dian)器則(ze)終止(zhi)充(chong)電(dian)(dian)(dian)(dian)。
如果(guo)VBAT>2.9V，充(chong)(chong)電(dian)(dian)(dian)器(qi)則在恒(heng)流模式(shi)開(kai)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(heng)壓(ya)(ya)充(chong)(chong)電(dian)(dian)(dian)模式(shi)。如果(guo)IC內(nei)部4h的(de)安全定時器(qi)期(qi)滿(man)，電(dian)(dian)(dian)池充(chong)(chong)電(dian)(dian)(dian)將(jiang)停止(zhi)。如果(guo)電(dian)(dian)(dian)池電(dian)(dian)(dian)壓(ya)(ya)VBAT降至4.105V以下，充(chong)(chong)電(dian)(dian)(dian)器(qi)將(jiang)自動開(kai)始重新充(chong)(chong)電(dian)(dian)(dian)。
在充電(dian)過(guo)程(cheng)中，如果(guo)芯片(pian)溫度約達(da)115℃，充電(dian)器將減小已編(bian)程(cheng)的充電(dian)電(dian)流(liu)，以防止IC及其(qi)周圍(wei)功率元件(jian)因過(guo)熱而損壞。
3.1.5 充電(dian)狀態指示
IC引(yin)腳(jiao) 通(tong)過微處(chu)理器或人(ren)工(gong)接口可以指示(shi)正在充電(dian)、不充電(dian)、電(dian)池無反應和(he)電(dian)池溫度超(chao)出(chu)范(fan)圍四種可能狀(zhuang)態中的(de)一種。比較(jiao)簡單的(de)方法是利(li)用LED作為指示(shi)器，將其串聯一個限流電(dian)阻(zu)連接在IC引(yin)腳(jiao) 與Vcc之間。
當充電開始后，IC引腳 為低(di)電平，LED導通(tong)而被點亮，無閃爍現象發生。
當充電(dian)電(dian)流(liu)(liu)降至滿標(biao)度電(dian)流(liu)(liu)的10%（即0.1C）以(yi)下時，引(yin)腳 釋(shi)放(fang)，呈現(xian)高阻抗，LED熄滅。
如果IC引腳NTC外部的NTC熱敏(min)電(dian)阻出現故(gu)障(zhang)，使電(dian)池溫度超(chao)出范(fan)圍，LED將出現閃(shan)爍，頻(pin)率(lv)為1.5Hz，人眼很容易(yi)識別。
如果電(dian)池(chi)已(yi)壞或(huo)不良(liang)（電(dian)池(chi)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(gu)障要(yao)快得多。
3.1.6 用(yong)NTC熱敏電阻測(ce)量電池溫(wen)度
電池充電時的(de)溫度(du)可利用NTC熱敏電阻來測量，典(dian)型(xing)電路如圖3所(suo)示(shi)。
圖3 典型NTC熱敏電阻電路
圖中(zhong)，RNTC為(wei)NTC熱(re)(re)敏(min)電(dian)(dian)阻，應將其緊貼電(dian)(dian)池盒(he)。RNTC在(zai)25℃時的(de)電(dian)(dian)阻值(zhi)R25=100kΩ，與偏置(zhi)電(dian)(dian)阻RNOM值(zhi)相等。IC引腳NTC內部較(jiao)低溫(wen)度(du)（冷態）門限為(wei)0.765Vcc，較(jiao)高溫(wen)度(du)（熱(re)(re)態）門限為(wei)0.349Vcc（此時阻值(zhi)降低），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(jian)下，rHOT=0.536，rCOLD=3.25。對于(yu)Vishay公(gong)司(si)的NTHS0603N011-N1003F來說，當溫(wen)(wen)度(du)(du)升(sheng)高其電(dian)(dian)阻值降至R25（100kΩ）的0.536倍（約(yue)54kΩ）時(shi)，相(xiang)應的溫(wen)(wen)度(du)(du)約(yue)為40℃，充電(dian)(dian)器將暫(zan)停充電(dian)(dian)；當RNTC電(dian)(dian)阻值增加到R25的3.25倍（即325kΩ）時(shi)，對應的溫(wen)(wen)度(du)(du)是0℃，充電(dian)(dian)器也(ye)會中止充電(dian)(dian)。很顯然，只有當電(dian)(dian)池溫(wen)(wen)度(du)(du)高于(yu)0℃而低于(yu)40℃時(shi)，充電(dian)(dian)器才會充電(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(cha)最接近1%的電阻值(zhi)是105kΩ。
附加電阻R1值為：
R1=0.536RNOM-rHOT?R25=0.536×105kΩ-0.436×100kΩ=12.6kΩ
誤(wu)差最(zui)接近1%的電阻值(zhi)是(shi)12.7kΩ。
RNOM和(he)R1按以上計(ji)算(suan)結果選擇，當(dang)電(dian)(dian)(dian)池溫度升至45℃或降為(wei)0℃時，充(chong)電(dian)(dian)(dian)器都(dou)將暫停充(chong)電(dian)(dian)(dian)。
圖4 帶附加偏置電阻的NTC
3.2 降壓(ya)開關(guan)穩壓(ya)器
LTC3558的(de)電(dian)流(liu)模式(shi)降壓(ya)開(kai)(kai)關(guan)穩壓(ya)器主(zhu)要由PWM控制器、主(zhu)開(kai)(kai)關(guan)P溝道MOSFET（MP）、N溝道MOSFET（MN）同步整(zheng)流(liu)器及誤差放大(da)器等組成，如圖5所示。
圖5 降壓開關穩壓器電路
LTC3558還(huan)含有軟啟動(dong)、短路保護(hu)和減小輻射EM1的開(kai)關節點擺幅限制電路。
降壓(ya)(ya)穩(wen)壓(ya)(ya)器可以提供直到400mA的電(dian)流，最低(di)輸(shu)出電(dian)壓(ya)(ya)為(wei)0.8V。降壓(ya)(ya)穩(wen)壓(ya)(ya)器輸(shu)出電(dian)壓(ya)(ya)可通過(guo)IC引腳FB1上(shang)的R1/R2來編程，其值為(wei)VOUT=0.8V（1+R1+R2）。R1取值范圍為(wei)40kΩ~1MΩ，CFB容量在(zai)2PF與22PF之間。
通過IC引腳MODE，可以設置(zhi)開關穩(wen)壓(ya)器的突發操作模(mo)式(shi)或脈沖跳越(yue)模(mo)式(shi)。
3.2.1 脈沖跳越模式（Pulse Skip Mode）
在(zai)(zai)脈(mo)(mo)沖(chong)跳越模(mo)式(shi)(shi)，誤差放大(da)器調(diao)節(jie)峰(feng)值電(dian)(dian)感(gan)(gan)器電(dian)(dian)流(liu)，以(yi)交付所需(xu)要的(de)輸(shu)出功率。在(zai)(zai)輕載時(shi)(shi)，在(zai)(zai)每個脈(mo)(mo)沖(chong)上(shang)電(dian)(dian)感(gan)(gan)電(dian)(dian)流(liu)可以(yi)達到零（關斷同步整流(liu)器MIN），在(zai)(zai)不連續(xu)模(mo)式(shi)(shi)操作。在(zai)(zai)非常輕的(de)負載下，降(jiang)壓開關穩(wen)壓器將會自動(dong)跳過脈(mo)(mo)沖(chong)，以(yi)維持(chi)輸(shu)出電(dian)(dian)壓調(diao)節(jie)。在(zai)(zai)高占空因數（VOUT>PVIN1/2）時(shi)(shi)，電(dian)(dian)感(gan)(gan)電(dian)(dian)流(liu)可能會反向(xiang)，致使(shi)(shi)降(jiang)壓變換(huan)器開關連續(xu)。欲利用(yong)脈(mo)(mo)沖(chong)跳越模(mo)式(shi)(shi)，需(xu)使(shi)(shi)IC引腳MODE保持(chi)低(di)電(dian)(dian)平(ping)。
3.2.2 突發模(mo)式（Burst Mode）
將IC引(yin)腳MODE拉至高(gao)(gao)電(dian)平(ping)，降壓(ya)變(bian)換(huan)(huan)器(qi)(qi)(qi)將在(zai)突(tu)發(fa)模式(shi)操(cao)作，自(zi)動在(zai)固定頻率PWM操(cao)作與滯后(hou)控(kong)制之間轉換(huan)(huan)。當輸出電(dian)容(rong)的充電(dian)電(dian)壓(ya)稍高(gao)(gao)于(yu)調節(jie)點時，降壓(ya)變(bian)換(huan)(huan)器(qi)(qi)(qi)則自(zi)動進(jin)入睡(shui)眠(mian)模式(shi)。在(zai)睡(shui)眠(mian)模式(shi)，開(kai)關穩壓(ya)器(qi)(qi)(qi)的大多數電(dian)路將切斷電(dian)源，因此(ci)在(zai)輕載時有著比脈沖跳躍模式(shi)更高(gao)(gao)的效率。
3.3 降壓(ya)(ya)-升壓(ya)(ya)開關(guan)穩壓(ya)(ya)器
LTC3558的降壓(ya)-升壓(ya)開關穩壓(ya)器在(zai)電壓(ya)模式和2.25MHz的固定頻率(lv)上操作，能提供直到(dao)400mA的輸出負載電流，輸出電壓(ya)可在(zai)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(yin)腳FB2上的分壓(ya)器電阻，如圖6所示。
當輸(shu)(shu)入電(dian)壓(ya)遠高于(yu)輸(shu)(shu)出(chu)電(dian)壓(ya)時(shi)，穩壓(ya)器(qi)工作(zuo)在降壓(ya)模(mo)式；當輸(shu)(shu)入電(dian)壓(ya)遠低(di)于(yu)輸(shu)(shu)出(chu)電(dian)壓(ya)時(shi)，穩壓(ya)器(qi)則在升壓(ya)模(mo)式操(cao)作(zuo)。
3.3.1 PWM操作模式(shi)(shi)與(yu)突(tu)發模式(shi)(shi)操作
通過將(jiang)IC引(yin)腳(jiao)保持低(di)電平，降壓-升壓變換器將(jiang)進(jin)入PWM操作(zuo)模(mo)式。在適度(du)的(de)重載條件(jian)下，在定(ding)頻PWM操作(zuo)有著最小的(de)開關噪聲。
若將(jiang)IC引腳MODE拉至高(gao)電(dian)平，穩壓器(qi)將(jiang)進(jin)入突(tu)(tu)發模式。在較輕的負載下，在突(tu)(tu)發模式操作(zuo)，輸(shu)出電(dian)流被限制(zhi)在50mA。當輸(shu)出電(dian)容上的充電(dian)電(dian)壓稍高(gao)于調節點時，穩壓器(qi)則進(jin)入睡眠模式。在突(tu)(tu)發模式操作(zuo)，能(neng)使開關損耗大大降低，易于滿足輕載效率標準(zhun)要求(qiu)。
3.3.2 環路(lu)補償
降壓(ya)-升壓(ya)開(kai)關(guan)穩壓(ya)器可以采用簡單的(de)I型補償（見(jian)圖7）
IC引(yin)腳(jiao)FB2是(shi)誤差(cha)(cha)放大器(qi)反相輸入(ru)端，引(yin)腳(jiao)VC2是(shi)誤差(cha)(cha)放大器(qi)輸出端。誤差(cha)(cha)放大器(qi)單位(wei)增益頻率fUG可(ke)表示為：
圖(tu)8所示(shi)為誤(wu)差放(fang)大器環路(lu)的III型(xing)補償網絡，其傳輸(shu)函數(shu)為：
圖8 III型(xing)補償電路
式中，s為傳輸系數。
III型補償網絡(luo)可(ke)獲(huo)得較大(da)的(de)頻(pin)帶寬度，改善瞬態(tai)響應，減小啟動時VOUT2產生的(de)過(guo)沖。對于3.3V的(de)輸(shu)出，補償元(yuan)件推(tui)薦值分(fen)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(ji)應用(yong)電(dian)路
LTC3558可以在沒有電池(chi)連接到引(yin)腳BAT上的情況下(xia)操(cao)作，如圖9所示(shi)。
圖9 LTC3558可以在無(wu)電池連接時操作
降壓(ya)開(kai)關(guan)穩壓(ya)器(qi)(qi)(qi)輸出為1.8V（@400mA），降壓(ya)-升壓(ya)開(kai)關(guan)穩壓(ya)器(qi)(qi)(qi)輸出為3.3V（@400mA）。在IC引腳SWAB2與(yu)SWCD2之間連接的(de)(de)2.2μH的(de)(de)電(dian)感器(qi)(qi)(qi)為降壓(ya)-升壓(ya)穩壓(ya)器(qi)(qi)(qi)的(de)(de)輸出電(dian)感器(qi)(qi)(qi)。NTC熱(re)敏電(dian)阻(zu)(zu)（R25=100kΩ）的(de)(de)偏置電(dian)阻(zu)(zu)分別(bie)為110kΩ和28.7kΩ，故充電(dian)器(qi)(qi)(qi)的(de)(de)熱(re)和冷解扣點分別(bie)設置在55℃和0℃。在IC引腳BAT上連接的(de)(de)1Ω的(de)(de)電(dian)阻(zu)(zu)和4.7μF的(de)(de)電(dian)容(rong)，可(ke)保證充電(dian)器(qi)(qi)(qi)穩定。
從墻上AC適配器(qi)加電的LTC3558應用電路如圖10所(suo)示。
圖(tu)10 從墻上適配器(qi)加電(dian)的(de)應用(yong)電(dian)路
其充(chong)電(dian)(dian)器的充(chong)電(dian)(dian)電(dian)(dian)流可達950mA，降(jiang)壓(ya)(ya)開關穩壓(ya)(ya)器的輸(shu)(shu)出為(wei)1.2V（@400mA），降(jiang)壓(ya)(ya)-升壓(ya)(ya)開關穩壓(ya)(ya)器的輸(shu)(shu)出為(wei)3.3V（@400mA）。充(chong)電(dian)(dian)器通過NTC熱敏電(dian)(dian)阻將電(dian)(dian)池溫度解扣點設置在0℃和(he)40℃，LED用作充(chong)電(dian)(dian)狀態指示。
5、結束語
LTC3558是一種帶兩個高效開關穩壓器的USB充電器，它是為(wei)應用于小功率(lv)手持式設備(bei)而專門設計(ji)的(de)。直(zhi)達950mA的(de)可編(bian)程(cheng)充(chong)(chong)電(dian)(dian)(dian)(dian)電(dian)(dian)(dian)(dian)流可對單節鋰(li)離子(zi)或(huo)聚合(he)物電(dian)(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)充(chong)(chong)電(dian)(dian)(dian)(dian)，在(zai)充(chong)(chong)電(dian)(dian)(dian)(dian)過程(cheng)中電(dian)(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)狀態被監視，4h的(de)安全定時器期滿時控制充(chong)(chong)電(dian)(dian)(dian)(dian)器終止。利用NTC熱敏電(dian)(dian)(dian)(dian)阻(zu)來測量電(dian)(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)溫(wen)度(du)并設置電(dian)(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)充(chong)(chong)電(dian)(dian)(dian)(dian)時的(de)溫(wen)度(du)范(fan)圍。LTC3558降壓(ya)和(he)降壓(ya)-升壓(ya)開關穩壓(ya)器輸出(chu)電(dian)(dian)(dian)(dian)壓(ya)均可編(bian)程(cheng)，效率(lv)高(gao)于90%，分(fen)別能提(ti)供直(zhi)到400mA的(de)輸出(chu)電(dian)(dian)(dian)(dian)流，為(wei)微控制器內核及其(qi)I/O、存(cun)儲(chu)器、磁盤驅(qu)動器或(huo)其(qi)它邏輯電(dian)(dian)(dian)(dian)路(lu)供電(dian)(dian)(dian)(dian)。