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)恒流/恒壓(ya)(ya)算法(fa)，可以從USB電(dian)源汲取功率(lv)(lv)，也可以利用(yong)墻(qiang)上(shang)AC適配器(qi)(qi)(qi)對單節(jie)鋰離子(zi)/聚(ju)合物(wu)電(dian)池充(chong)電(dian)，可編程(cheng)最大充(chong)電(dian)電(dian)流達950mA。LTC3558的降壓(ya)(ya)開關(guan)穩壓(ya)(ya)器(qi)(qi)(qi)和降壓(ya)(ya)-升壓(ya)(ya)開關(guan)穩壓(ya)(ya)器(qi)(qi)(qi)，在2.25MHz的固(gu)定(ding)頻率(lv)(lv)上(shang)操作，輸出(chu)電(dian)壓(ya)(ya)可編程(cheng)，效率(lv)(lv)高于90%，能(neng)分別提供400mA的電(dian)流，為微(wei)控制(zhi)器(qi)(qi)(qi)內(nei)核、微(wei)控制(zhi)器(qi)(qi)(qi)I/O、存儲器(qi)(qi)(qi)、磁盤驅(qu)動(dong)器(qi)(qi)(qi)或其它邏輯電(dian)路加電(dian)。
2、LTC3558封裝、內部(bu)結(jie)構及引腳功能
LTC3558采用3mm×3mm×0.75mm的21引腳QFN封裝，引腳排列(lie)如圖1所示。
圖1 LTC3558引腳排(pai)列
LTC3558含有一個(ge)線(xian)性USB電池充(chong)電器(qi)(qi)、一個(ge)電流模(mo)式(shi)降(jiang)壓(ya)（buck）開關穩壓(ya)器(qi)(qi)和一個(ge)電壓(ya)模(mo)式(shi)降(jiang)壓(ya)-升壓(ya)（buck-boost）開關穩壓(ya)器(qi)(qi)，其內部電路組成框圖(tu)如圖(tu)２所(suo)示。
圖2 LTC3558內部電路
LTC3558各個引腳功能(neng)簡述(shu)如(ru)表(biao)1所示(shi)。
表1 LTC3558引腳功能
3、LTC3558功能與工作原理
3.1 電(dian)(dian)池(chi)充電(dian)(dian)器
3.1.1 欠電(dian)壓(ya)鎖定(ding)（UVLO）
IC（LTC3558）的UVLO電(dian)(dian)路監(jian)視輸入電(dian)(dian)壓Vcc，其值范圍為4.3~5.5V。在Vcc升高到VUVLO（4V）以(yi)上之(zhi)前，充電(dian)(dian)器失能(neng)；當Vcc降落(luo)到電(dian)(dian)池電(dian)(dian)壓VBAT的50mV之(zhi)內(nei)時(shi)，充電(dian)(dian)器也(ye)將失效。
3.1.2 暫停模式(shi)
通過將(jiang)IC引腳SUSP上(shang)拉到1.2V以上(shang)，充電(dian)(dian)器(qi)同樣(yang)會失(shi)效(xiao)。在暫停模式，電(dian)(dian)池僅吸收1.5μA的電(dian)(dian)流，輸入電(dian)(dian)流Icc減小到8. 5μA。
3.1.3 編(bian)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20%（即(ji)0.2C）。
3.1.4 充電時序
在充(chong)電(dian)(dian)(dian)(dian)周期(qi)開始時，充(chong)電(dian)(dian)(dian)(dian)器首先確定電(dian)(dian)(dian)(dian)池是(shi)否深度放(fang)電(dian)(dian)(dian)(dian)。如果電(dian)(dian)(dian)(dian)池電(dian)(dian)(dian)(dian)壓低于2.9V，充(chong)電(dian)(dian)(dian)(dian)器則自動進行涓流(liu)充(chong)電(dian)(dian)(dian)(dian)，充(chong)電(dian)(dian)(dian)(dian)電(dian)(dian)(dian)(dian)流(liu)為滿標度電(dian)(dian)(dian)(dian)流(liu)的10%（即0.1C）。如果電(dian)(dian)(dian)(dian)池電(dian)(dian)(dian)(dian)壓在2.9V以下持(chi)續時間達(da)0.5h以上，充(chong)電(dian)(dian)(dian)(dian)器則終止(zhi)充(chong)電(dian)(dian)(dian)(dian)。
如(ru)果VBAT>2.9V，充(chong)電器(qi)(qi)則在恒流(liu)模式開始(shi)(shi)充(chong)電。當VBAT>4.105V時，充(chong)電器(qi)(qi)的(de)充(chong)電電流(liu)將(jiang)大大減小，則進(jin)入恒壓(ya)充(chong)電模式。如(ru)果IC內(nei)部4h的(de)安(an)全定時器(qi)(qi)期滿，電池充(chong)電將(jiang)停止(zhi)。如(ru)果電池電壓(ya)VBAT降至4.105V以下(xia)，充(chong)電器(qi)(qi)將(jiang)自動開始(shi)(shi)重新充(chong)電。
在充電過程(cheng)中，如(ru)果芯片溫度約達(da)115℃，充電器(qi)將減小已編(bian)程(cheng)的充電電流(liu)，以(yi)防止IC及其周圍(wei)功(gong)率元(yuan)件因過熱而損壞。
3.1.5 充(chong)電狀態指示
IC引腳(jiao) 通過(guo)微處理(li)器或(huo)人(ren)工(gong)接口可以指示(shi)正在充電(dian)、不充電(dian)、電(dian)池無反應和電(dian)池溫(wen)度超出(chu)范(fan)圍四種可能狀態中的(de)一(yi)(yi)種。比(bi)較簡單的(de)方法是利用LED作為指示(shi)器，將(jiang)其(qi)串聯一(yi)(yi)個限流(liu)電(dian)阻(zu)連接在IC引腳(jiao) 與(yu)Vcc之間。
當(dang)充電開始后，IC引腳 為(wei)低電平，LED導(dao)通而被點亮，無閃爍現象發生。
當充電(dian)(dian)電(dian)(dian)流降至(zhi)滿標度電(dian)(dian)流的10%（即(ji)0.1C）以(yi)下(xia)時，引腳 釋放，呈(cheng)現高(gao)阻抗，LED熄滅(mie)。
如果IC引(yin)腳NTC外(wai)部的(de)NTC熱敏電阻出現故障，使電池(chi)溫度超出范圍，LED將出現閃爍，頻(pin)率為1.5Hz，人眼(yan)很容(rong)易識別。
如果(guo)電池(chi)(chi)已壞或不良（電池(chi)(chi)電壓在(zai)2.9V以(yi)下(xia)超(chao)過0.5h），LED將在(zai)6.1Hz的頻(pin)率(lv)上閃爍，頻(pin)閃速率(lv)比NTC熱(re)敏電阻故障要(yao)快得多。
3.1.6 用NTC熱敏電阻測量(liang)電池溫度(du)
電(dian)池充(chong)電(dian)時(shi)的溫度可利(li)用NTC熱敏電(dian)阻來測量，典型(xing)電(dian)路如(ru)圖3所示。
圖(tu)3 典型NTC熱敏電阻(zu)電路
圖(tu)中(zhong)，RNTC為(wei)NTC熱敏電(dian)阻，應將其(qi)緊(jin)貼(tie)電(dian)池盒。RNTC在25℃時的電(dian)阻值(zhi)(zhi)R25=100kΩ，與偏置電(dian)阻RNOM值(zhi)(zhi)相等。IC引腳(jiao)NTC內部較低(di)溫(wen)度（冷態）門(men)(men)限(xian)為(wei)0.765Vcc，較高溫(wen)度（熱態）門(men)(men)限(xian)為(wei)0.349Vcc（此時阻值(zhi)(zhi)降低(di)），使能(neng)門(men)(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，rHOT=0.536，rCOLD=3.25。對于(yu)Vishay公司的(de)NTHS0603N011-N1003F來說，當溫(wen)度(du)升(sheng)高(gao)(gao)其電(dian)阻值降(jiang)至R25（100kΩ）的(de)0.536倍（約(yue)54kΩ）時(shi)，相應的(de)溫(wen)度(du)約(yue)為40℃，充電(dian)器將暫停(ting)充電(dian)；當RNTC電(dian)阻值增加到(dao)R25的(de)3.25倍（即325kΩ）時(shi)，對應的(de)溫(wen)度(du)是0℃，充電(dian)器也會中止充電(dian)。很(hen)顯然，只(zhi)有當電(dian)池溫(wen)度(du)高(gao)(gao)于(yu)0℃而低于(yu)40℃時(shi)，充電(dian)器才會充電(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1%的電阻值是105kΩ。
附(fu)加電阻R1值為：
R1=0.536RNOM-rHOT?R25=0.536×105kΩ-0.436×100kΩ=12.6kΩ
誤(wu)差最接近1%的(de)電阻值是12.7kΩ。
RNOM和R1按以上計(ji)算結果選擇，當電(dian)(dian)池溫度升(sheng)至45℃或降為0℃時，充電(dian)(dian)器都將暫停充電(dian)(dian)。
圖4 帶附加偏(pian)置(zhi)電(dian)阻的NTC
3.2 降壓(ya)開關穩(wen)壓(ya)器
LTC3558的電(dian)流模式降壓(ya)開關穩壓(ya)器(qi)主(zhu)要由PWM控制器(qi)、主(zhu)開關P溝道MOSFET（MP）、N溝道MOSFET（MN）同步(bu)整(zheng)流器(qi)及誤差放大器(qi)等(deng)組成，如圖5所示。
圖5 降壓開關(guan)穩壓器電(dian)路
LTC3558還含有軟啟(qi)動、短路(lu)保護和減(jian)小輻射EM1的(de)開(kai)關節點擺幅限制電路(lu)。
降壓(ya)穩(wen)壓(ya)器(qi)(qi)可(ke)以提供直到(dao)400mA的電流(liu)，最低輸出(chu)電壓(ya)為(wei)0.8V。降壓(ya)穩(wen)壓(ya)器(qi)(qi)輸出(chu)電壓(ya)可(ke)通過IC引(yin)腳FB1上的R1/R2來編程，其值(zhi)為(wei)VOUT=0.8V（1+R1+R2）。R1取值(zhi)范(fan)圍為(wei)40kΩ~1MΩ，CFB容(rong)量在2PF與22PF之間。
通過IC引(yin)腳(jiao)MODE，可以(yi)設置開(kai)關穩壓器的突發操作模式(shi)或脈沖跳越模式(shi)。
3.2.1 脈(mo)沖跳越模式(shi)（Pulse Skip Mode）
在脈沖(chong)(chong)跳(tiao)越(yue)模(mo)式(shi)，誤差放大器(qi)調節峰(feng)值電(dian)(dian)感(gan)(gan)(gan)器(qi)電(dian)(dian)流(liu)，以交(jiao)付(fu)所需(xu)要的輸出功率。在輕(qing)載時，在每個脈沖(chong)(chong)上電(dian)(dian)感(gan)(gan)(gan)電(dian)(dian)流(liu)可以達到零（關(guan)(guan)斷(duan)同(tong)步整(zheng)流(liu)器(qi)MIN），在不連續模(mo)式(shi)操作。在非常(chang)輕(qing)的負載下，降壓(ya)(ya)開關(guan)(guan)穩壓(ya)(ya)器(qi)將會(hui)自動跳(tiao)過脈沖(chong)(chong)，以維(wei)持(chi)輸出電(dian)(dian)壓(ya)(ya)調節。在高占(zhan)空因(yin)數（VOUT>PVIN1/2）時，電(dian)(dian)感(gan)(gan)(gan)電(dian)(dian)流(liu)可能會(hui)反向，致使(shi)降壓(ya)(ya)變換器(qi)開關(guan)(guan)連續。欲(yu)利用脈沖(chong)(chong)跳(tiao)越(yue)模(mo)式(shi)，需(xu)使(shi)IC引腳MODE保(bao)持(chi)低電(dian)(dian)平。
3.2.2 突發模(mo)式(shi)（Burst Mode）
將(jiang)IC引腳MODE拉至高電平，降(jiang)壓(ya)變換器將(jiang)在突發模式(shi)操作，自動在固定頻(pin)率PWM操作與(yu)滯(zhi)后控(kong)制之間(jian)轉換。當(dang)輸出電容的(de)(de)充電電壓(ya)稍高于調節點時(shi)，降(jiang)壓(ya)變換器則自動進入(ru)睡眠模式(shi)。在睡眠模式(shi)，開關穩壓(ya)器的(de)(de)大多數電路將(jiang)切斷電源，因此在輕載時(shi)有著(zhu)比脈沖跳躍(yue)模式(shi)更(geng)高的(de)(de)效(xiao)率。
3.3 降壓-升壓開(kai)關穩壓器
LTC3558的(de)降壓(ya)-升壓(ya)開(kai)關穩(wen)壓(ya)器在(zai)(zai)電壓(ya)模式和2.25MHz的(de)固定(ding)頻率上(shang)操作，能(neng)提供直到(dao)400mA的(de)輸出負載電流(liu)，輸出電壓(ya)可在(zai)(zai)2.75V與(yu)(yu)5.45V之(zhi)間來編程(cheng)，其值為VOUT2=0.8V(1+R1+R2)。R1與(yu)(yu)R2為IC引腳(jiao)FB2上(shang)的(de)分壓(ya)器電阻，如圖6所(suo)示。
當輸入電壓(ya)(ya)(ya)(ya)遠高于(yu)輸出電壓(ya)(ya)(ya)(ya)時，穩壓(ya)(ya)(ya)(ya)器工作在降壓(ya)(ya)(ya)(ya)模式；當輸入電壓(ya)(ya)(ya)(ya)遠低(di)于(yu)輸出電壓(ya)(ya)(ya)(ya)時，穩壓(ya)(ya)(ya)(ya)器則在升壓(ya)(ya)(ya)(ya)模式操作。
3.3.1 PWM操作模(mo)式與突發模(mo)式操作
通過將IC引腳保持(chi)低電平(ping)，降壓(ya)-升壓(ya)變換器(qi)將進(jin)入PWM操作(zuo)模式。在適度的重載條件下，在定頻PWM操作(zuo)有(you)著最小的開關噪聲(sheng)。
若(ruo)將(jiang)IC引腳MODE拉(la)至高電平(ping)，穩壓器(qi)將(jiang)進入(ru)突(tu)發模式(shi)。在(zai)較輕的(de)負載(zai)下，在(zai)突(tu)發模式(shi)操(cao)作(zuo)，輸出電流被限制(zhi)在(zai)50mA。當輸出電容上(shang)的(de)充電電壓稍(shao)高于調(diao)節(jie)點時，穩壓器(qi)則進入(ru)睡眠模式(shi)。在(zai)突(tu)發模式(shi)操(cao)作(zuo)，能使開(kai)關(guan)損耗(hao)大大降低，易于滿(man)足(zu)輕載(zai)效率標(biao)準(zhun)要求。
3.3.2 環路補償
降壓-升(sheng)壓開關穩壓器可以采用簡單的(de)I型補償（見圖7）
IC引(yin)腳FB2是誤(wu)(wu)差放大器反(fan)相輸(shu)入端(duan)，引(yin)腳VC2是誤(wu)(wu)差放大器輸(shu)出端(duan)。誤(wu)(wu)差放大器單位增益頻率(lv)fUG可表示為：
圖(tu)8所示(shi)為誤差放大器(qi)環(huan)路的III型(xing)補償網絡，其傳輸函數(shu)為：
圖(tu)8 III型補(bu)償電(dian)路
式中，s為(wei)傳輸系數。
III型補償(chang)網絡(luo)可獲得較(jiao)大(da)的頻帶寬度，改善瞬態響(xiang)應，減小啟動時VOUT2產生的過沖。對于3.3V的輸出，補償(chang)元件推薦(jian)值(zhi)分別為：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(dian)路
LTC3558可以在(zai)沒有電(dian)池連接到引腳BAT上(shang)的情況下操(cao)作，如圖(tu)9所(suo)示。
圖9 LTC3558可以在無電池連接時操作
降(jiang)壓(ya)(ya)開關(guan)穩壓(ya)(ya)器(qi)輸出為1.8V（@400mA），降(jiang)壓(ya)(ya)-升壓(ya)(ya)開關(guan)穩壓(ya)(ya)器(qi)輸出為3.3V（@400mA）。在IC引腳SWAB2與SWCD2之間連(lian)(lian)接(jie)(jie)的2.2μH的電(dian)(dian)(dian)(dian)感器(qi)為降(jiang)壓(ya)(ya)-升壓(ya)(ya)穩壓(ya)(ya)器(qi)的輸出電(dian)(dian)(dian)(dian)感器(qi)。NTC熱(re)(re)敏電(dian)(dian)(dian)(dian)阻（R25=100kΩ）的偏(pian)置電(dian)(dian)(dian)(dian)阻分(fen)別(bie)(bie)為110kΩ和(he)(he)28.7kΩ，故充電(dian)(dian)(dian)(dian)器(qi)的熱(re)(re)和(he)(he)冷解扣點(dian)分(fen)別(bie)(bie)設置在55℃和(he)(he)0℃。在IC引腳BAT上連(lian)(lian)接(jie)(jie)的1Ω的電(dian)(dian)(dian)(dian)阻和(he)(he)4.7μF的電(dian)(dian)(dian)(dian)容，可保證充電(dian)(dian)(dian)(dian)器(qi)穩定。
從墻上AC適配(pei)器加電的(de)LTC3558應用電路如圖10所示。
圖(tu)10 從(cong)墻上適(shi)配器加電(dian)的應用電(dian)路(lu)
其充電(dian)(dian)器(qi)的(de)充電(dian)(dian)電(dian)(dian)流(liu)可達950mA，降(jiang)壓(ya)(ya)開關穩(wen)壓(ya)(ya)器(qi)的(de)輸(shu)出(chu)為1.2V（@400mA），降(jiang)壓(ya)(ya)-升壓(ya)(ya)開關穩(wen)壓(ya)(ya)器(qi)的(de)輸(shu)出(chu)為3.3V（@400mA）。充電(dian)(dian)器(qi)通(tong)過(guo)NTC熱敏(min)電(dian)(dian)阻將電(dian)(dian)池溫度解扣(kou)點(dian)設置在0℃和(he)40℃，LED用作(zuo)充電(dian)(dian)狀態(tai)指示(shi)。
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)是為應用于小功率手(shou)持式(shi)設(she)備而(er)專門設(she)計的。直達950mA的可編程(cheng)充電(dian)(dian)電(dian)(dian)流(liu)可對單節鋰離子或聚合物電(dian)(dian)池(chi)充電(dian)(dian)，在充電(dian)(dian)過(guo)程(cheng)中(zhong)電(dian)(dian)池(chi)狀態被(bei)監視，4h的安(an)全定時器期滿時控制充電(dian)(dian)器終止。利用NTC熱敏(min)電(dian)(dian)阻來測量電(dian)(dian)池(chi)溫度(du)并設(she)置電(dian)(dian)池(chi)充電(dian)(dian)時的溫度(du)范圍(wei)。LTC3558降(jiang)壓和降(jiang)壓-升壓開關穩壓器輸出電(dian)(dian)壓均可編程(cheng)，效率高于90%，分別能提供直到400mA的輸出電(dian)(dian)流(liu)，為微控制器內核及其(qi)I/O、存儲器、磁盤驅(qu)動(dong)器或其(qi)它(ta)邏輯(ji)電(dian)(dian)路供電(dian)(dian)。