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(cai)用恒(heng)流/恒(heng)壓算法，可以從USB電(dian)(dian)(dian)(dian)源汲取(qu)功率(lv)(lv)，也可以利用墻上(shang)AC適配器(qi)(qi)對單節鋰離子/聚合(he)物(wu)電(dian)(dian)(dian)(dian)池充(chong)電(dian)(dian)(dian)(dian)，可編程(cheng)最大(da)充(chong)電(dian)(dian)(dian)(dian)電(dian)(dian)(dian)(dian)流達(da)950mA。LTC3558的(de)降(jiang)壓開關(guan)穩壓器(qi)(qi)和降(jiang)壓-升壓開關(guan)穩壓器(qi)(qi)，在2.25MHz的(de)固定頻率(lv)(lv)上(shang)操作，輸出電(dian)(dian)(dian)(dian)壓可編程(cheng)，效率(lv)(lv)高于(yu)90%，能分別(bie)提供400mA的(de)電(dian)(dian)(dian)(dian)流，為微控制(zhi)器(qi)(qi)內核(he)、微控制(zhi)器(qi)(qi)I/O、存儲器(qi)(qi)、磁盤驅動(dong)器(qi)(qi)或其它(ta)邏(luo)輯電(dian)(dian)(dian)(dian)路加電(dian)(dian)(dian)(dian)。
2、LTC3558封裝(zhuang)、內部結構及引腳功能
LTC3558采用3mm×3mm×0.75mm的21引腳(jiao)QFN封裝，引腳(jiao)排(pai)列如圖1所(suo)示。
圖1 LTC3558引腳排列
LTC3558含有一個(ge)線性(xing)USB電(dian)池充(chong)電(dian)器(qi)、一個(ge)電(dian)流模式(shi)降壓(ya)(ya)（buck）開(kai)關(guan)穩(wen)壓(ya)(ya)器(qi)和一個(ge)電(dian)壓(ya)(ya)模式(shi)降壓(ya)(ya)-升壓(ya)(ya)（buck-boost）開(kai)關(guan)穩(wen)壓(ya)(ya)器(qi)，其內部電(dian)路組成框(kuang)圖(tu)如圖(tu)２所(suo)示。
圖2 LTC3558內部電(dian)路
LTC3558各個引腳(jiao)功能簡述如表1所(suo)示。
表1 LTC3558引腳功(gong)能(neng)
3、LTC3558功(gong)能(neng)與工作原理(li)
3.1 電(dian)(dian)池充電(dian)(dian)器
3.1.1 欠電壓鎖(suo)定（UVLO）
IC（LTC3558）的UVLO電(dian)路(lu)監視(shi)輸入電(dian)壓(ya)Vcc，其值范圍為4.3~5.5V。在Vcc升高到VUVLO（4V）以(yi)上之前(qian)，充(chong)電(dian)器(qi)(qi)失(shi)能(neng)；當Vcc降落到電(dian)池電(dian)壓(ya)VBAT的50mV之內時，充(chong)電(dian)器(qi)(qi)也(ye)將失(shi)效。
3.1.2 暫停模式
通(tong)過將IC引腳SUSP上(shang)拉到1.2V以上(shang)，充電器同樣會失(shi)效。在暫停模(mo)式，電池僅吸收1.5μA的電流，輸入電流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，相應的充電電流為滿標度電(dian)流（C）的20%（即0.2C）。
3.1.4 充電時序(xu)
在充(chong)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)周期開始時，充(chong)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)器首先確定電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)池是(shi)否深(shen)度放電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)。如果(guo)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)池電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)壓低于2.9V，充(chong)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)器則自動進行涓流(liu)(liu)充(chong)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)，充(chong)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)流(liu)(liu)為滿標(biao)度電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)流(liu)(liu)的10%（即0.1C）。如果(guo)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)池電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)壓在2.9V以下持續時間達(da)0.5h以上，充(chong)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)器則終止充(chong)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)。
如果VBAT>2.9V，充(chong)(chong)電(dian)器(qi)(qi)(qi)則在恒流模式開(kai)始充(chong)(chong)電(dian)。當(dang)VBAT>4.105V時，充(chong)(chong)電(dian)器(qi)(qi)(qi)的(de)充(chong)(chong)電(dian)電(dian)流將(jiang)大(da)大(da)減小，則進(jin)入恒壓充(chong)(chong)電(dian)模式。如果IC內(nei)部4h的(de)安(an)全定時器(qi)(qi)(qi)期滿，電(dian)池充(chong)(chong)電(dian)將(jiang)停(ting)止。如果電(dian)池電(dian)壓VBAT降至4.105V以下，充(chong)(chong)電(dian)器(qi)(qi)(qi)將(jiang)自動開(kai)始重(zhong)新充(chong)(chong)電(dian)。
在充(chong)電(dian)(dian)過程中，如果芯片(pian)溫度(du)約(yue)達115℃，充(chong)電(dian)(dian)器將減小已編程的充(chong)電(dian)(dian)電(dian)(dian)流，以防止IC及其(qi)周圍(wei)功(gong)率元件因過熱而(er)損壞。
3.1.5 充電狀態指(zhi)示(shi)
IC引(yin)(yin)腳(jiao) 通過微處理器(qi)或(huo)人工(gong)接口(kou)可以指示正在充電(dian)(dian)(dian)、不(bu)充電(dian)(dian)(dian)、電(dian)(dian)(dian)池無反應和電(dian)(dian)(dian)池溫度(du)超出范圍四種可能狀態中的(de)一(yi)種。比(bi)較(jiao)簡單的(de)方法是(shi)利用LED作為(wei)指示器(qi)，將(jiang)其串聯(lian)一(yi)個限流電(dian)(dian)(dian)阻連接在IC引(yin)(yin)腳(jiao) 與Vcc之間。
當充電開始后，IC引(yin)腳 為低(di)電平，LED導通而被點亮(liang)，無閃爍現象發(fa)生。
當充電(dian)電(dian)流(liu)降至滿標度電(dian)流(liu)的10%（即0.1C）以下時，引(yin)腳(jiao) 釋放(fang)，呈現(xian)高阻抗，LED熄滅。
如果IC引腳NTC外部的NTC熱敏(min)電阻出現故(gu)障(zhang)，使電池溫(wen)度超出范(fan)圍，LED將出現閃爍，頻率為1.5Hz，人眼很(hen)容易識別。
如果電(dian)池(chi)已壞或不良(liang)（電(dian)池(chi)電(dian)壓在(zai)(zai)2.9V以下(xia)超過0.5h），LED將在(zai)(zai)6.1Hz的頻率上閃爍，頻閃速率比NTC熱敏電(dian)阻故(gu)障要(yao)快得多(duo)。
3.1.6 用NTC熱(re)敏電(dian)阻測量電(dian)池溫度
電池充電時的溫度可利(li)用(yong)NTC熱敏(min)電阻來(lai)測量，典(dian)型電路(lu)如圖3所示。
圖(tu)3 典(dian)型NTC熱敏電阻電路
圖中(zhong)，RNTC為(wei)NTC熱(re)敏電(dian)阻(zu)(zu)(zu)，應將其緊貼電(dian)池(chi)盒。RNTC在25℃時的電(dian)阻(zu)(zu)(zu)值(zhi)R25=100kΩ，與偏置電(dian)阻(zu)(zu)(zu)RNOM值(zhi)相等(deng)。IC引腳NTC內部較(jiao)低(di)溫(wen)度(du)（冷態(tai)）門限(xian)為(wei)0.765Vcc，較(jiao)高(gao)溫(wen)度(du)（熱(re)態(tai)）門限(xian)為(wei)0.349Vcc（此(ci)時阻(zu)(zu)(zu)值(zhi)降(jiang)低(di)），使(shi)能(neng)門限(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(jian)下，rHOT=0.536，rCOLD=3.25。對(dui)(dui)于(yu)Vishay公司的(de)NTHS0603N011-N1003F來說，當溫度升高(gao)(gao)其電(dian)(dian)阻值降至R25（100kΩ）的(de)0.536倍（約54kΩ）時，相應(ying)的(de)溫度約為40℃，充(chong)電(dian)(dian)器(qi)將(jiang)暫停充(chong)電(dian)(dian)；當RNTC電(dian)(dian)阻值增加(jia)到R25的(de)3.25倍（即325kΩ）時，對(dui)(dui)應(ying)的(de)溫度是0℃，充(chong)電(dian)(dian)器(qi)也(ye)會中止充(chong)電(dian)(dian)。很顯(xian)然，只(zhi)有當電(dian)(dian)池溫度高(gao)(gao)于(yu)0℃而(er)低于(yu)40℃時，充(chong)電(dian)(dian)器(qi)才會充(chong)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(zui)接(jie)近1%的電阻值是105kΩ。
附(fu)加電阻(zu)R1值為：
R1=0.536RNOM-rHOT?R25=0.536×105kΩ-0.436×100kΩ=12.6kΩ
誤(wu)差最接近1%的電(dian)阻值是12.7kΩ。
RNOM和R1按以(yi)上計算結果選擇，當電(dian)池溫度(du)升至(zhi)45℃或降為(wei)0℃時，充電(dian)器都將暫停充電(dian)。
圖4 帶附(fu)加偏置電(dian)阻(zu)的NTC
3.2 降壓開(kai)關穩壓器
LTC3558的電流模式(shi)降壓(ya)開(kai)關(guan)穩壓(ya)器(qi)主要由PWM控(kong)制器(qi)、主開(kai)關(guan)P溝(gou)道MOSFET（MP）、N溝(gou)道MOSFET（MN）同(tong)步整(zheng)流器(qi)及誤(wu)差放大器(qi)等組成，如圖5所示。
圖5 降壓(ya)開關穩壓(ya)器電路
LTC3558還含有軟啟(qi)動(dong)、短(duan)路保護(hu)和減(jian)小(xiao)輻射EM1的(de)開(kai)關節點(dian)擺幅限制電路。
降壓穩壓器(qi)可以提供直到(dao)400mA的電(dian)流，最低輸出電(dian)壓為0.8V。降壓穩壓器(qi)輸出電(dian)壓可通(tong)過IC引腳FB1上的R1/R2來(lai)編(bian)程，其值(zhi)為VOUT=0.8V（1+R1+R2）。R1取(qu)值(zhi)范圍為40kΩ~1MΩ，CFB容量在2PF與22PF之(zhi)間。
通過IC引腳MODE，可以設置(zhi)開關穩壓(ya)器的(de)突發(fa)操(cao)作模(mo)式或脈(mo)沖跳越模(mo)式。
3.2.1 脈沖跳越模式（Pulse Skip Mode）
在(zai)(zai)脈沖(chong)(chong)跳(tiao)越(yue)模式(shi)，誤(wu)差放大器(qi)調(diao)節峰值電(dian)(dian)(dian)感器(qi)電(dian)(dian)(dian)流(liu)(liu)，以(yi)(yi)交付所需(xu)要(yao)的輸出功率(lv)。在(zai)(zai)輕(qing)(qing)載時，在(zai)(zai)每個脈沖(chong)(chong)上電(dian)(dian)(dian)感電(dian)(dian)(dian)流(liu)(liu)可(ke)以(yi)(yi)達(da)到零（關(guan)斷同步整流(liu)(liu)器(qi)MIN），在(zai)(zai)不(bu)連續模式(shi)操作。在(zai)(zai)非常輕(qing)(qing)的負(fu)載下(xia)，降壓開(kai)關(guan)穩壓器(qi)將(jiang)會自動(dong)跳(tiao)過(guo)脈沖(chong)(chong)，以(yi)(yi)維持輸出電(dian)(dian)(dian)壓調(diao)節。在(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(ke)能會反(fan)向，致使(shi)降壓變換器(qi)開(kai)關(guan)連續。欲利用脈沖(chong)(chong)跳(tiao)越(yue)模式(shi)，需(xu)使(shi)IC引腳MODE保持低(di)電(dian)(dian)(dian)平(ping)。
3.2.2 突發模(mo)式（Burst Mode）
將IC引(yin)腳MODE拉至(zhi)高電(dian)(dian)平(ping)，降壓變換(huan)(huan)器將在(zai)突(tu)發模式操作(zuo)(zuo)，自動在(zai)固定頻率PWM操作(zuo)(zuo)與(yu)滯后控制之間轉換(huan)(huan)。當(dang)輸出電(dian)(dian)容的充(chong)電(dian)(dian)電(dian)(dian)壓稍高于調(diao)節點時(shi)，降壓變換(huan)(huan)器則自動進入睡眠模式。在(zai)睡眠模式，開(kai)關穩(wen)壓器的大多數電(dian)(dian)路將切斷電(dian)(dian)源，因此在(zai)輕載時(shi)有著(zhu)比(bi)脈(mo)沖跳躍模式更高的效率。
3.3 降壓(ya)-升壓(ya)開關(guan)穩壓(ya)器
LTC3558的(de)(de)降壓(ya)(ya)-升(sheng)壓(ya)(ya)開(kai)關穩壓(ya)(ya)器在電壓(ya)(ya)模式和2.25MHz的(de)(de)固定頻(pin)率上操作(zuo)，能(neng)提(ti)供直到(dao)400mA的(de)(de)輸出負載電流，輸出電壓(ya)(ya)可(ke)在2.75V與5.45V之間來(lai)編程，其值為VOUT2=0.8V(1+R1+R2)。R1與R2為IC引腳FB2上的(de)(de)分壓(ya)(ya)器電阻，如圖(tu)6所示(shi)。
當輸(shu)入電(dian)壓(ya)(ya)遠(yuan)(yuan)高于輸(shu)出(chu)電(dian)壓(ya)(ya)時，穩(wen)壓(ya)(ya)器工作在(zai)降壓(ya)(ya)模式；當輸(shu)入電(dian)壓(ya)(ya)遠(yuan)(yuan)低于輸(shu)出(chu)電(dian)壓(ya)(ya)時，穩(wen)壓(ya)(ya)器則在(zai)升(sheng)壓(ya)(ya)模式操作。
3.3.1 PWM操作(zuo)模(mo)式與突(tu)發模(mo)式操作(zuo)
通過將IC引腳保(bao)持低電平(ping)，降壓-升壓變換器將進入PWM操(cao)作模(mo)式。在適度的重載條件下(xia)，在定頻(pin)PWM操(cao)作有著最小的開關(guan)噪聲。
若將IC引腳MODE拉至(zhi)高電平，穩(wen)(wen)壓(ya)器將進入突(tu)發(fa)模式(shi)。在較輕(qing)的負(fu)載下，在突(tu)發(fa)模式(shi)操(cao)作(zuo)(zuo)，輸(shu)出電流被限(xian)制在50mA。當(dang)輸(shu)出電容上的充電電壓(ya)稍高于調節(jie)點時，穩(wen)(wen)壓(ya)器則(ze)進入睡眠模式(shi)。在突(tu)發(fa)模式(shi)操(cao)作(zuo)(zuo)，能使開關損(sun)耗大大降(jiang)低，易(yi)于滿足輕(qing)載效率(lv)標(biao)準要求。
3.3.2 環路補償
降壓(ya)-升壓(ya)開關穩壓(ya)器可以采用簡單(dan)的I型補(bu)償（見(jian)圖(tu)7）
IC引腳(jiao)FB2是誤(wu)差(cha)放大(da)器反相輸入端，引腳(jiao)VC2是誤(wu)差(cha)放大(da)器輸出端。誤(wu)差(cha)放大(da)器單位增益頻率fUG可表示為：
圖8所示為誤差放大器環路的III型補償網絡，其傳輸函數為：
圖8 III型補償(chang)電路
式中，s為傳(chuan)輸(shu)系(xi)數。
III型補償(chang)網絡可(ke)獲得較大(da)的(de)(de)(de)頻(pin)帶寬(kuan)度，改善瞬態響應，減小啟動(dong)時(shi)VOUT2產生的(de)(de)(de)過沖。對于3.3V的(de)(de)(de)輸出，補償(chang)元件推薦值分別為(wei)：R1=324kΩ，RFB=105 kΩ，C1=10pF，R2=15 kΩ，C2=330pF，R3=121 kΩ，C3=33pF及(ji)COUT=22μF和(he)LOUT=2. 2μH。
4、實際應(ying)用電路(lu)
LTC3558可以在(zai)沒有電池(chi)連接到引腳BAT上的(de)情況下操作(zuo)，如(ru)圖9所示(shi)。
圖9 LTC3558可(ke)以在無電池(chi)連接時操作(zuo)
降壓開(kai)關穩(wen)壓器輸出為(wei)(wei)1.8V（@400mA），降壓-升壓開(kai)關穩(wen)壓器輸出為(wei)(wei)3.3V（@400mA）。在IC引腳SWAB2與SWCD2之間連接(jie)的(de)(de)(de)(de)2.2μH的(de)(de)(de)(de)電(dian)(dian)(dian)(dian)感(gan)(gan)器為(wei)(wei)降壓-升壓穩(wen)壓器的(de)(de)(de)(de)輸出電(dian)(dian)(dian)(dian)感(gan)(gan)器。NTC熱敏(min)電(dian)(dian)(dian)(dian)阻（R25=100kΩ）的(de)(de)(de)(de)偏置(zhi)電(dian)(dian)(dian)(dian)阻分別為(wei)(wei)110kΩ和(he)28.7kΩ，故充電(dian)(dian)(dian)(dian)器的(de)(de)(de)(de)熱和(he)冷(leng)解扣點(dian)分別設(she)置(zhi)在55℃和(he)0℃。在IC引腳BAT上(shang)連接(jie)的(de)(de)(de)(de)1Ω的(de)(de)(de)(de)電(dian)(dian)(dian)(dian)阻和(he)4.7μF的(de)(de)(de)(de)電(dian)(dian)(dian)(dian)容(rong)，可保證充電(dian)(dian)(dian)(dian)器穩(wen)定。
從墻(qiang)上AC適配器加(jia)電(dian)的LTC3558應用電(dian)路(lu)如圖10所示。
圖10 從(cong)墻上適配器(qi)加電的(de)應用電路
其充(chong)電(dian)(dian)器的(de)充(chong)電(dian)(dian)電(dian)(dian)流(liu)可(ke)達950mA，降(jiang)壓(ya)開(kai)(kai)關(guan)穩壓(ya)器的(de)輸(shu)出(chu)為1.2V（@400mA），降(jiang)壓(ya)-升壓(ya)開(kai)(kai)關(guan)穩壓(ya)器的(de)輸(shu)出(chu)為3.3V（@400mA）。充(chong)電(dian)(dian)器通過NTC熱(re)敏電(dian)(dian)阻將電(dian)(dian)池溫度解扣(kou)點設置(zhi)在0℃和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(ta)(ta)是(shi)為應用(yong)于(yu)小功率(lv)手持式設(she)備(bei)而專門設(she)計的(de)。直(zhi)達950mA的(de)可(ke)編程充(chong)電(dian)電(dian)流可(ke)對單節鋰離子或(huo)聚合物電(dian)池充(chong)電(dian)，在充(chong)電(dian)過(guo)程中(zhong)電(dian)池狀態被監視，4h的(de)安全定時器(qi)期滿時控(kong)制充(chong)電(dian)器(qi)終止。利(li)用(yong)NTC熱敏電(dian)阻來測(ce)量電(dian)池溫度(du)(du)并設(she)置電(dian)池充(chong)電(dian)時的(de)溫度(du)(du)范圍(wei)。LTC3558降壓(ya)(ya)和降壓(ya)(ya)-升壓(ya)(ya)開關穩壓(ya)(ya)器(qi)輸出電(dian)壓(ya)(ya)均可(ke)編程，效率(lv)高于(yu)90%，分別能提供直(zhi)到400mA的(de)輸出電(dian)流，為微控(kong)制器(qi)內核及其I/O、存儲(chu)器(qi)、磁盤驅動器(qi)或(huo)其它(ta)(ta)邏輯電(dian)路供電(dian)。