LTC3552-1：單節(jié)鋰離子電池充電與雙路DC/DC轉(zhuǎn)換的理想方案

在電子設(shè)備的設(shè)計(jì)中，電源管理一直是關(guān)鍵環(huán)節(jié)。今天，我們來介紹一款來自Linear Technology的高性能芯片——LTC3552-1，它在單節(jié)鋰離子電池充電和雙路DC/DC轉(zhuǎn)換方面表現(xiàn)出色，特別適合便攜式設(shè)備應(yīng)用。

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一、功能與特性

充電功能

LTC3552-1的充電功能相當(dāng)強(qiáng)大，可編程充電電流最高可達(dá)950mA。它內(nèi)置了完整的線性充電器，無需額外的MOSFET、檢測電阻或阻塞二極管，就能實(shí)現(xiàn)高效充電。其充電電壓固定為4.2V，精度高達(dá)±1%，能有效保護(hù)電池安全。同時(shí)，它還具備熱調(diào)節(jié)功能，可在不導(dǎo)致過熱的情況下最大化充電速率，并且能直接從USB端口充電。此外，它還有可編程的充電電流終止功能、充電電流監(jiān)測輸出用于電量計(jì)量、自動再充電功能，以及充電狀態(tài)輸出和“電源存在”輸出等實(shí)用功能。

DC/DC轉(zhuǎn)換功能

該芯片還集成了雙路DC/DC轉(zhuǎn)換器，能提供雙路固定輸出電壓，分別為1.8V（最大電流800mA）和1.575V（最大電流400mA）。采用同步降壓開關(guān)調(diào)節(jié)器架構(gòu)，開關(guān)頻率固定為2.25MHz，允許使用小尺寸的表面貼裝電感和電容，有助于減小電路板體積。

二、工作原理

鋰離子電池充電器

正常充電周期

當(dāng)VIN引腳電壓高于欠壓鎖定（UVLO）閾值，且PROG引腳連接到地的1%編程電阻時(shí)，充電周期開始。充電器先進(jìn)入恒流模式，向電池提供編程的充電電流。當(dāng)BAT引腳電壓接近最終浮充電壓（4.2V）時(shí)，進(jìn)入恒壓模式，充電電流逐漸減小。當(dāng)充電電流降至編程的終止閾值（由外部電阻RTERM設(shè)置）時(shí)，充電周期結(jié)束。

充電狀態(tài)指示

CHRG引腳為開漏輸出，用于指示充電狀態(tài)。在充電過程中，該引腳被內(nèi)部N溝道MOSFET拉低；充電結(jié)束或充電器禁用時(shí)，引腳變?yōu)楦咦杩埂?/p>

自動再充電

充電周期結(jié)束后，充電器會持續(xù)監(jiān)測BAT引腳電壓。當(dāng)電池電壓降至4.10V以下時(shí)，充電周期將自動重啟，確保電池保持或接近充滿狀態(tài)。

電源狀態(tài)指示

PWR引腳也是開漏輸出，用于指示電源狀態(tài)。當(dāng)VIN高于UVLO閾值且比電池電壓高100mV以上時(shí)，該引腳被拉低；否則，引腳為高阻抗，表示充電器無法為電池充電。

充電電流軟啟動

充電器內(nèi)置軟啟動電路，在充電周期開始時(shí)，充電電流會在約100μs的時(shí)間內(nèi)從0線性上升到滿量程電流，可有效減小啟動時(shí)的浪涌電流，降低對電源的瞬態(tài)電流負(fù)載。

熱限制

內(nèi)部熱反饋回路可在芯片溫度超過預(yù)設(shè)值（約120°C）時(shí)自動降低編程的充電電流，避免充電器過熱損壞，保護(hù)芯片的同時(shí)也能根據(jù)實(shí)際環(huán)境溫度靈活調(diào)整充電電流。

欠壓鎖定

內(nèi)部欠壓鎖定電路會監(jiān)測輸入電壓，當(dāng)VIN低于欠壓鎖定閾值時(shí)，充電器將處于關(guān)機(jī)模式。該電路具有200mV的遲滯，可防止電源MOSFET中的反向電流。

手動關(guān)機(jī)

在充電周期的任何時(shí)刻，將EN引腳置為高電平可使充電器進(jìn)入關(guān)機(jī)模式，此時(shí)電池放電電流小于2μA，VIN電源電流小于50μA。再次將EN引腳置為低電平可啟動新的充電周期。

雙路開關(guān)調(diào)節(jié)器

基本架構(gòu)

采用電流模式架構(gòu)，工作頻率恒定為2.25MHz，兩路調(diào)節(jié)器共享同一時(shí)鐘并同相運(yùn)行。輸出電壓固定，調(diào)節(jié)器1為1.8V，調(diào)節(jié)器2為1.575V。內(nèi)部集成了電阻分壓器反饋網(wǎng)絡(luò)，誤差放大器將分壓后的輸出電壓（VFB）與0.6V參考電壓進(jìn)行比較，并相應(yīng)調(diào)整電感峰值電流。

主調(diào)節(jié)器控制回路

在正常工作時(shí)，當(dāng)VOUT反饋電壓低于參考電壓，時(shí)鐘周期開始時(shí)頂部功率開關(guān)（P溝道MOSFET）導(dǎo)通，電流流入電感，負(fù)載電流增加，直至達(dá)到電流限制值，開關(guān)關(guān)閉。電感中存儲的能量通過底部開關(guān)（N溝道MOSFET）流入負(fù)載，直到下一個(gè)時(shí)鐘周期。峰值電感電流由內(nèi)部補(bǔ)償?shù)腎TH電壓控制，該電壓是誤差放大器的輸出。

低負(fù)載電流運(yùn)行

當(dāng)負(fù)載較輕時(shí)，調(diào)節(jié)器會自動切換到Burst Mode運(yùn)行模式，PMOS開關(guān)根據(jù)負(fù)載需求間歇性工作，固定電感峰值電流。通過周期性運(yùn)行，可最小化由功率MOSFET柵極電荷損耗主導(dǎo)的開關(guān)損耗。當(dāng)輸出電壓達(dá)到所需的調(diào)節(jié)值時(shí)，主控制回路會中斷。當(dāng)ITH低于0.35V時(shí)，電壓比較器觸發(fā)，關(guān)閉開關(guān)以降低功耗；當(dāng)ITH超過0.65V時(shí)，開關(guān)和主控制回路開啟，開始新的周期。

降壓運(yùn)行

當(dāng)VCC輸入電源電壓接近輸出電壓時(shí)，占空比將增加到100%，進(jìn)入降壓狀態(tài)。此時(shí)，PMOS開關(guān)持續(xù)導(dǎo)通，輸出電壓等于輸入電壓減去內(nèi)部P溝道MOSFET和電感上的電壓降。需要注意的是，P溝道開關(guān)的RDS(ON)會隨輸入電源電壓的降低而增加，因此在低輸入電壓下使用時(shí)，需計(jì)算功率損耗。

低電源電壓運(yùn)行

為防止不穩(wěn)定運(yùn)行，調(diào)節(jié)器內(nèi)置欠壓鎖定電路，當(dāng)VCC電壓降至約1.65V以下時(shí)，調(diào)節(jié)器將關(guān)閉。

三、應(yīng)用信息

典型應(yīng)用電路

典型的LTC3552-1應(yīng)用電路中，外部組件的選擇取決于充電要求和開關(guān)調(diào)節(jié)器的負(fù)載要求。例如，充電電流通過連接PROG引腳到地的單個(gè)電阻進(jìn)行編程，可根據(jù)公式(R{PROG }=frac{1000 V}{I{CHG}})和(I{CHG}=frac{1000 V}{R{PROG }})計(jì)算編程電阻和充電電流。充電終止則通過連接外部電阻RTERM從ITERM引腳到地來設(shè)置，終止電流閾值(I{TERM }=frac{100 V}{R{TERM }})。

組件選擇

開關(guān)調(diào)節(jié)器電感選擇

電感值直接影響電感紋波電流(Delta I{L})，其計(jì)算公式為(Delta I{L}=frac{V{OUT }}{f{0} cdot L}left(1-frac{V{OUT }}{V{C C}}right))。為保證紋波電流不超過指定最大值，可根據(jù)公式(L=frac{V{OUT }}{f{0} cdot Delta I{L}}left(1-frac{V{OUT }}{V_{C C(M A X)}}right))選擇合適的電感值。同時(shí)，電感值還會影響B(tài)urst Mode運(yùn)行，較低的電感值會導(dǎo)致紋波電流增大，在低負(fù)載電流時(shí)可能會使效率下降。

電感磁芯選擇

不同的磁芯材料和形狀會影響電感的尺寸、電流和價(jià)格關(guān)系。例如，鐵氧體或坡莫合金材料的環(huán)形或屏蔽罐形磁芯體積小、輻射能量少，但成本通常高于具有相似電氣特性的鐵粉芯電感。實(shí)際選擇時(shí)，需綜合考慮價(jià)格、尺寸、輻射場和EMI等要求。

輸入電容選擇

在連續(xù)模式下，轉(zhuǎn)換器的輸入電流為具有約(V{OUT } / V{CC })占空比的方波。為防止大的電壓瞬變，需使用低等效串聯(lián)電阻（ESR）的輸入電容，并根據(jù)公式(I{RMS } approx I{MAX } frac{sqrt{V{OUT }left(V{C C}-V{OUT }right)}}{V{C C}})選擇合適的電容值。同時(shí)，建議在VCC上添加0.1μF - 1μF的陶瓷電容用于高頻去耦。

輸出電容選擇

輸出電容的選擇主要考慮其ESR，以最小化紋波電壓和負(fù)載階躍瞬變。輸出紋波(Delta V{OUT })由公式(Delta V{OUT } approx Delta I{L} cdot ESR{COUT})決定。在滿足ESR要求后，電容值通常足以進(jìn)行濾波。不同類型的電容（如鋁電解電容、特殊聚合物電容、陶瓷電容和固體鉭電容）具有不同的特性，需根據(jù)具體應(yīng)用需求進(jìn)行選擇。

四、設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)

效率考慮

開關(guān)調(diào)節(jié)器的效率等于輸出功率除以輸入功率再乘以100%。主要損耗源包括VCC靜態(tài)電流、開關(guān)損耗、(I^{2} R)損耗和其他損耗。分析這些損耗有助于找出限制效率的因素，并采取相應(yīng)措施提高效率。

熱考慮

雖然LTC3552-1的電池充電器熱調(diào)節(jié)功能和開關(guān)調(diào)節(jié)器的高效率使其不太可能超過最大結(jié)溫，但在高溫、低電源電壓和高占空比的應(yīng)用中，仍需進(jìn)行熱分析?？筛鶕?jù)公式(T{RISE }=P{D} cdot theta{JA })和(T{J}=T{RISE }+T{AMBIENT })計(jì)算溫度上升和結(jié)溫。同時(shí)，為保證最大充電電流，需將芯片背面的裸露金屬焊盤焊接到PCB接地層。

電池充電器穩(wěn)定性考慮

在恒壓模式下，只要電池連接到充電器輸出，反饋回路就是穩(wěn)定的。若沒有電池，建議在BAT引腳添加輸出電容以降低紋波電壓。使用高值、低ESR的陶瓷電容時(shí)，建議串聯(lián)一個(gè)1Ω電阻；使用鉭電容則無需此操作。在恒流模式下，PROG引腳的阻抗會影響穩(wěn)定性，若該引腳有額外電容，需根據(jù)公式(R{PROG } leq frac{1}{2 pi cdot 10^{5} cdot C{PROG }})計(jì)算最大電阻值。

電路板布局考慮

在進(jìn)行電路板布局時(shí)，需注意以下幾點(diǎn)：輸入電容CIN應(yīng)盡可能靠近電源VCC和GND（裸露焊盤）連接；反饋信號Vout應(yīng)遠(yuǎn)離嘈雜組件和走線；COUT和L1應(yīng)緊密連接；敏感組件應(yīng)遠(yuǎn)離SW引腳；建議使用接地平面，若條件不允許，應(yīng)將信號和電源接地隔離；未使用的區(qū)域應(yīng)填充銅并連接到VCC或GND，以降低功率組件的溫度上升。

五、典型應(yīng)用案例

單節(jié)鋰離子電池充電器加降壓轉(zhuǎn)換器

該應(yīng)用為單節(jié)鋰離子電池提供了全面的充電和電源轉(zhuǎn)換解決方案。通過合理選擇外部組件，可實(shí)現(xiàn)高效充電和穩(wěn)定的雙路電源輸出，適用于各類便攜式設(shè)備。

帶有PowerPath?的鋰離子充電器和降壓轉(zhuǎn)換器

這種應(yīng)用在充電和供電過程中，能根據(jù)電源情況自動切換，確保電池充電和設(shè)備供電的穩(wěn)定性，進(jìn)一步提升了系統(tǒng)的可靠性和實(shí)用性。

綜上所述，LTC3552-1是一款功能強(qiáng)大、性能優(yōu)越的電源管理芯片，為電子工程師在設(shè)計(jì)單節(jié)鋰離子電池供電設(shè)備時(shí)提供了可靠的解決方案。在實(shí)際應(yīng)用中，我們需充分了解其特性和工作原理，合理選擇外部組件，做好電路板布局和熱管理等工作，以發(fā)揮其最大優(yōu)勢。你在使用LTC3552-1或類似芯片的過程中遇到過哪些問題呢？歡迎在評論區(qū)分享交流。