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)用恒流/恒壓(ya)算(suan)法，可以(yi)從USB電(dian)(dian)源汲取功率，也可以(yi)利用墻(qiang)上(shang)AC適配器(qi)對單節(jie)鋰離子/聚合(he)物電(dian)(dian)池充電(dian)(dian)，可編程(cheng)最大充電(dian)(dian)電(dian)(dian)流達(da)950mA。LTC3558的(de)(de)降(jiang)(jiang)壓(ya)開(kai)關穩(wen)壓(ya)器(qi)和(he)降(jiang)(jiang)壓(ya)-升壓(ya)開(kai)關穩(wen)壓(ya)器(qi)，在2.25MHz的(de)(de)固定頻率上(shang)操作(zuo)，輸出電(dian)(dian)壓(ya)可編程(cheng)，效率高于(yu)90%，能分別提供400mA的(de)(de)電(dian)(dian)流，為微(wei)控制(zhi)(zhi)器(qi)內核、微(wei)控制(zhi)(zhi)器(qi)I/O、存儲器(qi)、磁盤驅(qu)動(dong)器(qi)或其它邏輯電(dian)(dian)路加電(dian)(dian)。

　　2、LTC3558封裝、內部結(jie)構及引腳功能(neng)

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

圖1  LTC3558引(yin)腳排列

　　LTC3558含有(you)一(yi)個線性USB電(dian)池充電(dian)器(qi)、一(yi)個電(dian)流模式(shi)降(jiang)(jiang)壓(ya)（buck）開關(guan)穩壓(ya)器(qi)和一(yi)個電(dian)壓(ya)模式(shi)降(jiang)(jiang)壓(ya)-升壓(ya)（buck-boost）開關(guan)穩壓(ya)器(qi)，其內部電(dian)路組成框圖如(ru)圖２所示。

圖2  LTC3558內部電路

　　LTC3558各個引腳功能(neng)簡述如(ru)表1所(suo)示(shi)。

表(biao)1  LTC3558引腳(jiao)功能

　　3、LTC3558功能與(yu)工作原理

　　3.1  電池充電器 

　　3.1.1  欠電壓鎖定(ding)（UVLO）

　　IC（LTC3558）的UVLO電(dian)(dian)(dian)路監視輸入電(dian)(dian)(dian)壓Vcc，其值范圍為(wei)4.3~5.5V。在Vcc升高到(dao)VUVLO（4V）以上之(zhi)前，充電(dian)(dian)(dian)器失能；當(dang)Vcc降落到(dao)電(dian)(dian)(dian)池電(dian)(dian)(dian)壓VBAT的50mV之(zhi)內時，充電(dian)(dian)(dian)器也將失效。

　　3.1.2  暫停模式(shi)

　　通過將IC引(yin)腳SUSP上拉到1.2V以(yi)上，充(chong)電器同樣(yang)會失效。在(zai)暫(zan)停模式(shi)，電池僅吸收1.5μA的電流(liu)(liu)，輸入電流(liu)(liu)Icc減小到8. 5μA。

　　3.1.3  編程充電(dian)電(dian)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(man)標度電流（C）的20%（即(ji)0.2C）。

　　3.1.4  充電時序

　　在(zai)充(chong)(chong)電周(zhou)期開始時，充(chong)(chong)電器首先確(que)定電池是否深度放電。如(ru)果(guo)電池電壓低于2.9V，充(chong)(chong)電器則(ze)自動進(jin)行涓流(liu)充(chong)(chong)電，充(chong)(chong)電電流(liu)為滿(man)標(biao)度電流(liu)的(de)10%（即0.1C）。如(ru)果(guo)電池電壓在(zai)2.9V以(yi)(yi)下持續時間達(da)0.5h以(yi)(yi)上，充(chong)(chong)電器則(ze)終止充(chong)(chong)電。

　　如(ru)果VBAT>2.9V，充電(dian)器(qi)(qi)則(ze)在恒流模式(shi)開始充電(dian)。當VBAT>4.105V時，充電(dian)器(qi)(qi)的充電(dian)電(dian)流將大大減小，則(ze)進入恒壓充電(dian)模式(shi)。如(ru)果IC內部4h的安全定時器(qi)(qi)期滿，電(dian)池充電(dian)將停止。如(ru)果電(dian)池電(dian)壓VBAT降至4.105V以(yi)下，充電(dian)器(qi)(qi)將自動開始重(zhong)新充電(dian)。

　　在充電(dian)(dian)過程(cheng)中，如(ru)果芯片溫度(du)約達115℃，充電(dian)(dian)器(qi)將(jiang)減(jian)小已編程(cheng)的充電(dian)(dian)電(dian)(dian)流，以防(fang)止IC及其周(zhou)圍功率元件因過熱而損(sun)壞。

　　3.1.5  充電狀態指示

　　IC引(yin)腳(jiao) 通過微處理器(qi)或人工接口可(ke)以指示正(zheng)在充電(dian)、不充電(dian)、電(dian)池(chi)無(wu)反應(ying)和電(dian)池(chi)溫(wen)度(du)超出范圍(wei)四種(zhong)可(ke)能狀態中的一種(zhong)。比較簡單的方(fang)法是利(li)用LED作為指示器(qi)，將(jiang)其串(chuan)聯一個限流電(dian)阻(zu)連接在IC引(yin)腳(jiao) 與Vcc之間。

　　當(dang)充電(dian)開始后(hou)，IC引腳 為低電(dian)平，LED導通而(er)被點亮，無閃爍現象(xiang)發生。

　　當充電電流降至(zhi)滿標度(du)電流的10%（即0.1C）以下時，引腳 釋放，呈現高阻抗(kang)，LED熄滅。

　　如果IC引腳NTC外部(bu)的NTC熱敏電阻(zu)出現故障，使電池溫度超出范圍(wei)，LED將出現閃爍，頻(pin)率為1.5Hz，人眼(yan)很容易識別。

　　如果電池已壞或不良（電池電壓在(zai)2.9V以下超過(guo)0.5h），LED將(jiang)在(zai)6.1Hz的頻率(lv)上閃爍，頻閃速率(lv)比NTC熱敏電阻故障(zhang)要快得多。

　　3.1.6  用NTC熱敏電阻測量電池(chi)溫(wen)度

　　電池充電時的溫度可利用NTC熱敏電阻來(lai)測量(liang)，典型電路如圖3所示。

 

圖(tu)3  典型NTC熱敏(min)電(dian)(dian)阻電(dian)(dian)路

　　圖(tu)中，RNTC為NTC熱(re)敏電(dian)阻，應將其(qi)緊貼(tie)電(dian)池盒。RNTC在25℃時的(de)電(dian)阻值R25=100kΩ，與(yu)偏置(zhi)電(dian)阻RNOM值相(xiang)等。IC引腳NTC內部較(jiao)低(di)溫度(du)（冷(leng)態(tai)）門限為0.765Vcc，較(jiao)高溫度(du)（熱(re)態(tai)）門限為0.349Vcc（此(ci)時阻值降低(di)），使能門限為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(xia)，rHOT=0.536，rCOLD=3.25。對于(yu)Vishay公司的NTHS0603N011-N1003F來說(shuo)，當(dang)溫度(du)升高其電(dian)(dian)阻(zu)(zu)值(zhi)降(jiang)至R25（100kΩ）的0.536倍（約54kΩ）時，相應的溫度(du)約為40℃，充(chong)電(dian)(dian)器(qi)將暫停充(chong)電(dian)(dian)；當(dang)RNTC電(dian)(dian)阻(zu)(zu)值(zhi)增加(jia)到R25的3.25倍（即(ji)325kΩ）時，對應的溫度(du)是0℃，充(chong)電(dian)(dian)器(qi)也(ye)會(hui)中止(zhi)充(chong)電(dian)(dian)。很(hen)顯然，只有當(dang)電(dian)(dian)池溫度(du)高于(yu)0℃而低(di)于(yu)40℃時，充(chong)電(dian)(dian)器(qi)才(cai)會(hui)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：
 
　　誤差最接近1%的電阻值是105kΩ。

　　附加電(dian)阻R1值為(wei)：

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

　　誤差(cha)最(zui)接(jie)近1%的電阻值是12.7kΩ。

　　RNOM和R1按以上計算結果選擇，當電池溫度升至(zhi)45℃或降為0℃時，充(chong)電器都將暫停充(chong)電。

圖4  帶附加偏置電阻的NTC

3.2  降壓(ya)開關穩(wen)壓(ya)器

　　LTC3558的電(dian)流(liu)模(mo)式降壓(ya)開(kai)關(guan)穩(wen)壓(ya)器主要由PWM控制器、主開(kai)關(guan)P溝(gou)道MOSFET（MP）、N溝(gou)道MOSFET（MN）同步整流(liu)器及誤差放大器等組成，如圖5所示。

 

圖(tu)5  降壓開關穩壓器電路

　　LTC3558還含有軟啟動、短路(lu)保(bao)護和減小(xiao)輻射EM1的(de)開關(guan)節點擺(bai)幅限制電路(lu)。

　　降壓(ya)穩壓(ya)器(qi)可(ke)以提供(gong)直到400mA的(de)電(dian)流(liu)，最低輸(shu)出電(dian)壓(ya)為(wei)0.8V。降壓(ya)穩壓(ya)器(qi)輸(shu)出電(dian)壓(ya)可(ke)通過IC引腳FB1上的(de)R1/R2來(lai)編(bian)程，其(qi)值(zhi)為(wei)VOUT=0.8V（1+R1+R2）。R1取值(zhi)范(fan)圍為(wei)40kΩ~1MΩ，CFB容量在(zai)2PF與(yu)22PF之間。

　　通過IC引(yin)腳MODE，可以設置開關穩壓器的突發操作模式(shi)或脈(mo)沖跳越模式(shi)。

　　3.2.1  脈沖跳越模式（Pulse Skip Mode）

　　在(zai)(zai)脈沖(chong)跳(tiao)越模(mo)式(shi)，誤差放大器(qi)調節峰值電(dian)(dian)感器(qi)電(dian)(dian)流，以(yi)(yi)交付所(suo)需要的(de)輸(shu)出(chu)功(gong)率。在(zai)(zai)輕載時(shi)(shi)，在(zai)(zai)每(mei)個脈沖(chong)上電(dian)(dian)感電(dian)(dian)流可以(yi)(yi)達到(dao)零(ling)（關斷同步整流器(qi)MIN），在(zai)(zai)不(bu)連續(xu)模(mo)式(shi)操作。在(zai)(zai)非(fei)常輕的(de)負載下，降壓開關穩壓器(qi)將會自動跳(tiao)過脈沖(chong)，以(yi)(yi)維持輸(shu)出(chu)電(dian)(dian)壓調節。在(zai)(zai)高占空(kong)因數（VOUT>PVIN1/2）時(shi)(shi)，電(dian)(dian)感電(dian)(dian)流可能會反向(xiang)，致使(shi)降壓變(bian)換器(qi)開關連續(xu)。欲利用(yong)脈沖(chong)跳(tiao)越模(mo)式(shi)，需使(shi)IC引腳MODE保持低電(dian)(dian)平。

　　3.2.2  突發(fa)模式（Burst Mode）

　　將IC引腳MODE拉(la)至高(gao)電(dian)平，降(jiang)壓(ya)(ya)變換器將在突發模式(shi)操(cao)作，自動在固(gu)定頻率(lv)PWM操(cao)作與滯(zhi)后(hou)控制之間轉(zhuan)換。當輸出電(dian)容的充電(dian)電(dian)壓(ya)(ya)稍高(gao)于調節(jie)點時，降(jiang)壓(ya)(ya)變換器則自動進入睡(shui)眠模式(shi)。在睡(shui)眠模式(shi)，開關(guan)穩(wen)壓(ya)(ya)器的大(da)多數電(dian)路(lu)將切斷電(dian)源，因此在輕載時有著(zhu)比(bi)脈沖跳(tiao)躍模式(shi)更高(gao)的效率(lv)。

　　3.3  降壓-升壓開關穩壓器

　　LTC3558的降(jiang)壓(ya)-升壓(ya)開關穩(wen)壓(ya)器(qi)(qi)在電壓(ya)模式和(he)2.25MHz的固定頻率上(shang)操作，能提供直到400mA的輸(shu)出負(fu)載電流，輸(shu)出電壓(ya)可在2.75V與5.45V之間來編程，其值為VOUT2=0.8V(1+R1+R2)。R1與R2為IC引腳FB2上(shang)的分壓(ya)器(qi)(qi)電阻，如圖6所示。

　　當輸入電(dian)壓(ya)遠(yuan)高于輸出電(dian)壓(ya)時(shi)(shi)，穩壓(ya)器工作在(zai)降壓(ya)模式；當輸入電(dian)壓(ya)遠(yuan)低于輸出電(dian)壓(ya)時(shi)(shi)，穩壓(ya)器則(ze)在(zai)升壓(ya)模式操作。

　　3.3.1  PWM操作(zuo)模(mo)式與(yu)突發模(mo)式操作(zuo)

　　通過將(jiang)(jiang)IC引腳保(bao)持低(di)電平，降壓-升壓變換器將(jiang)(jiang)進入(ru)PWM操(cao)作模(mo)式(shi)。在適度的重載條件下，在定頻PWM操(cao)作有著(zhu)最小的開關噪聲。

　　若將IC引腳MODE拉至高電平(ping)，穩(wen)壓(ya)器(qi)將進入(ru)(ru)突(tu)發(fa)模式(shi)。在(zai)較輕的負載下，在(zai)突(tu)發(fa)模式(shi)操(cao)作，輸出電流被限(xian)制在(zai)50mA。當輸出電容上的充(chong)電電壓(ya)稍(shao)高于調(diao)節點時，穩(wen)壓(ya)器(qi)則進入(ru)(ru)睡眠模式(shi)。在(zai)突(tu)發(fa)模式(shi)操(cao)作，能(neng)使開關損耗大大降低，易于滿足(zu)輕載效率標(biao)準要(yao)求。

　　3.3.2  環路補(bu)償

　　降壓(ya)-升(sheng)壓(ya)開關穩壓(ya)器可以采用簡單的I型補(bu)償（見圖7）

　　IC引(yin)腳FB2是誤(wu)差放大(da)器反相輸入端，引(yin)腳VC2是誤(wu)差放大(da)器輸出端。誤(wu)差放大(da)器單位增益(yi)頻率(lv)fUG可表(biao)示為：

　　圖8所(suo)示(shi)為誤差放大器(qi)環路的III型補(bu)償網絡，其傳輸函數為：

圖8  III型補償電路

　　式中，s為傳輸系數。

　　III型補償(chang)網(wang)絡可獲得(de)較大的頻(pin)帶寬度，改善瞬(shun)態響(xiang)應，減小啟動時VOUT2產生(sheng)的過沖。對于(yu)3.3V的輸出，補償(chang)元(yuan)件推薦值分(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、實際應用(yong)電路

　　LTC3558可以在沒(mei)有電池連接到引腳BAT上的(de)情(qing)況下操作，如圖9所示。

圖(tu)9  LTC3558可(ke)以在無電池連接時操(cao)作

　　降壓(ya)(ya)(ya)開關(guan)(guan)穩壓(ya)(ya)(ya)器(qi)(qi)輸出為1.8V（@400mA），降壓(ya)(ya)(ya)-升(sheng)壓(ya)(ya)(ya)開關(guan)(guan)穩壓(ya)(ya)(ya)器(qi)(qi)輸出為3.3V（@400mA）。在(zai)IC引(yin)腳SWAB2與SWCD2之間連接的(de)(de)(de)(de)2.2μH的(de)(de)(de)(de)電感(gan)器(qi)(qi)為降壓(ya)(ya)(ya)-升(sheng)壓(ya)(ya)(ya)穩壓(ya)(ya)(ya)器(qi)(qi)的(de)(de)(de)(de)輸出電感(gan)器(qi)(qi)。NTC熱敏電阻(zu)（R25=100kΩ）的(de)(de)(de)(de)偏置(zhi)電阻(zu)分別為110kΩ和(he)(he)28.7kΩ，故充電器(qi)(qi)的(de)(de)(de)(de)熱和(he)(he)冷解扣點分別設置(zhi)在(zai)55℃和(he)(he)0℃。在(zai)IC引(yin)腳BAT上連接的(de)(de)(de)(de)1Ω的(de)(de)(de)(de)電阻(zu)和(he)(he)4.7μF的(de)(de)(de)(de)電容，可保(bao)證充電器(qi)(qi)穩定。

　　從墻(qiang)上AC適配器加電的(de)LTC3558應用(yong)電路如(ru)圖10所示。

圖(tu)10  從墻上適配(pei)器(qi)加電的(de)應用電路

　　其充(chong)電器的(de)充(chong)電電流可達950mA，降(jiang)壓(ya)(ya)(ya)開關穩壓(ya)(ya)(ya)器的(de)輸出為1.2V（@400mA），降(jiang)壓(ya)(ya)(ya)-升壓(ya)(ya)(ya)開關穩壓(ya)(ya)(ya)器的(de)輸出為3.3V（@400mA）。充(chong)電器通過NTC熱(re)敏電阻將(jiang)電池溫度解(jie)扣點設(she)置(zhi)在0℃和40℃，LED用作充(chong)電狀態(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，它是為應(ying)用(yong)于(yu)小功率手持式設備(bei)而專門(men)設計的(de)。直(zhi)達950mA的(de)可編(bian)程(cheng)充電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)流可對單節鋰離子或(huo)聚合物電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)池充電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)，在充電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)過程(cheng)中電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)池狀態被監視，4h的(de)安(an)全定時(shi)器期滿時(shi)控制(zhi)充電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)器終止。利(li)用(yong)NTC熱敏(min)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)阻來測量電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)池溫度(du)并(bing)設置電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)池充電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)時(shi)的(de)溫度(du)范(fan)圍。LTC3558降壓(ya)(ya)和降壓(ya)(ya)-升壓(ya)(ya)開關(guan)穩壓(ya)(ya)器輸出電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)壓(ya)(ya)均可編(bian)程(cheng)，效(xiao)率高于(yu)90%，分別能提供直(zhi)到400mA的(de)輸出電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)流，為微控制(zhi)器內核及其(qi)I/O、存儲器、磁(ci)盤驅動器或(huo)其(qi)它邏輯電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)路供電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)。