1、概述

　　凌力爾特（Linear Technology）推出的LTC3558型USB電池充電器，帶有兩個(gè)開關(guān)穩(wěn)壓器，適合于在手持式設(shè)備中應(yīng)用。LTC3558的充電器，采用恒流/恒壓算法，可以從USB電源汲取功率，也可以利用墻上AC適配器對(duì)單節(jié)鋰離子/聚合物電池充電，可編程最大充電電流達(dá)950mA。LTC3558的降壓開關(guān)穩(wěn)壓器和降壓-升壓開關(guān)穩(wěn)壓器，在2.25MHz的固定頻率上操作，輸出電壓可編程，效率高于90%，能分別提供400mA的電流，為微控制器內(nèi)核、微控制器I/O、存儲(chǔ)器、磁盤驅(qū)動(dòng)器或其它邏輯電路加電。

　　2、LTC3558封裝、內(nèi)部結(jié)構(gòu)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引腳排列

　　LTC3558含有一個(gè)線性USB電池充電器、一個(gè)電流模式降壓（buck）開關(guān)穩(wěn)壓器和一個(gè)電壓模式降壓-升壓（buck-boost）開關(guān)穩(wěn)壓器，其內(nèi)部電路組成框圖如圖２所示。

圖2  LTC3558內(nèi)部電路

　　LTC3558各個(gè)引腳功能簡述如表1所示。

表1  LTC3558引腳功能

　　3、LTC3558功能與工作原理

　　3.1  電池充電器 

　　3.1.1  欠電壓鎖定（UVLO）

　　IC（LTC3558）的UVLO電路監(jiān)視輸入電壓Vcc，其值范圍為4.3~5.5V。在Vcc升高到VUVLO（4V）以上之前，充電器失能；當(dāng)Vcc降落到電池電壓VBAT的50mV之內(nèi)時(shí)，充電器也將失效。

　　3.1.2  暫停模式

　　通過將IC引腳SUSP上拉到1.2V以上，充電器同樣會(huì)失效。在暫停模式，電池僅吸收1.5μA的電流，輸入電流Icc減小到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(biāo)度（full-scale）充電電流（即在恒流模式充電電流的100%），計(jì)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(duì)應(yīng)于用滿標(biāo)度電流充電；若引腳HPWR為低電平，VPROG則為0.2V，相應(yīng)的充電電流為滿標(biāo)度電流（C）的20%（即0.2C）。

　　3.1.4  充電時(shí)序

　　在充電周期開始時(shí)，充電器首先確定電池是否深度放電。如果電池電壓低于2.9V，充電器則自動(dòng)進(jìn)行涓流充電，充電電流為滿標(biāo)度電流的10%（即0.1C）。如果電池電壓在2.9V以下持續(xù)時(shí)間達(dá)0.5h以上，充電器則終止充電。

　　如果VBAT>2.9V，充電器則在恒流模式開始充電。當(dāng)VBAT>4.105V時(shí)，充電器的充電電流將大大減小，則進(jìn)入恒壓充電模式。如果IC內(nèi)部4h的安全定時(shí)器期滿，電池充電將停止。如果電池電壓VBAT降至4.105V以下，充電器將自動(dòng)開始重新充電。

　　在充電過程中，如果芯片溫度約達(dá)115℃，充電器將減小已編程的充電電流，以防止IC及其周圍功率元件因過熱而損壞。

　　3.1.5  充電狀態(tài)指示

　　IC引腳 通過微處理器或人工接口可以指示正在充電、不充電、電池?zé)o反應(yīng)和電池溫度超出范圍四種可能狀態(tài)中的一種。比較簡單的方法是利用LED作為指示器，將其串聯(lián)一個(gè)限流電阻連接在IC引腳 與Vcc之間。

　　當(dāng)充電開始后，IC引腳 為低電平，LED導(dǎo)通而被點(diǎn)亮，無閃爍現(xiàn)象發(fā)生。

　　當(dāng)充電電流降至滿標(biāo)度電流的10%（即0.1C）以下時(shí)，引腳 釋放，呈現(xiàn)高阻抗，LED熄滅。

　　如果IC引腳NTC外部的NTC熱敏電阻出現(xiàn)故障，使電池溫度超出范圍，LED將出現(xiàn)閃爍，頻率為1.5Hz，人眼很容易識(shí)別。

　　如果電池已壞或不良（電池電壓在2.9V以下超過0.5h），LED將在6.1Hz的頻率上閃爍，頻閃速率比NTC熱敏電阻故障要快得多。

　　3.1.6  用NTC熱敏電阻測(cè)量電池溫度

　　電池充電時(shí)的溫度可利用NTC熱敏電阻來測(cè)量，典型電路如圖3所示。

 

圖3  典型NTC熱敏電阻電路

　　圖中，RNTC為NTC熱敏電阻，應(yīng)將其緊貼電池盒。RNTC在25℃時(shí)的電阻值R25=100kΩ，與偏置電阻RNOM值相等。IC引腳NTC內(nèi)部較低溫度（冷態(tài)）門限為0.765Vcc，較高溫度（熱態(tài)）門限為0.349Vcc（此時(shí)阻值降低），使能門限為0.017Vcc。

　　設(shè)RNTC熱解扣點(diǎn)和冷解扣點(diǎn)時(shí)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(jù)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(duì)于Vishay公司的NTHS0603N011-N1003F來說，當(dāng)溫度升高其電阻值降至R25（100kΩ）的0.536倍（約54kΩ）時(shí)，相應(yīng)的溫度約為40℃，充電器將暫停充電；當(dāng)RNTC電阻值增加到R25的3.25倍（即325kΩ）時(shí)，對(duì)應(yīng)的溫度是0℃，充電器也會(huì)中止充電。很顯然，只有當(dāng)電池溫度高于0℃而低于40℃時(shí)，充電器才會(huì)充電。

　　如圖4所示，如果RNTC再加進(jìn)一個(gè)偏置電阻R1，則可以將解扣點(diǎn)溫度改變。若冷和熱解扣點(diǎn)設(shè)置在0℃和45℃，根據(jù)Vishay公司提供的數(shù)據(jù)，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。

　　附加電阻R1值為：

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

　　誤差最接近1%的電阻值是12.7kΩ。

　　RNOM和R1按以上計(jì)算結(jié)果選擇，當(dāng)電池溫度升至45℃或降為0℃時(shí)，充電器都將暫停充電。

圖4  帶附加偏置電阻的NTC

3.2  降壓開關(guān)穩(wěn)壓器

　　LTC3558的電流模式降壓開關(guān)穩(wěn)壓器主要由PWM控制器、主開關(guān)P溝道MOSFET（MP）、N溝道MOSFET（MN）同步整流器及誤差放大器等組成，如圖5所示。

 

圖5  降壓開關(guān)穩(wěn)壓器電路

　　LTC3558還含有軟啟動(dòng)、短路保護(hù)和減小輻射EM1的開關(guān)節(jié)點(diǎn)擺幅限制電路。

　　降壓穩(wěn)壓器可以提供直到400mA的電流，最低輸出電壓為0.8V。降壓穩(wěn)壓器輸出電壓可通過IC引腳FB1上的R1/R2來編程，其值為VOUT=0.8V（1+R1+R2）。R1取值范圍為40kΩ~1MΩ，CFB容量在2PF與22PF之間。

　　通過IC引腳MODE，可以設(shè)置開關(guān)穩(wěn)壓器的突發(fā)操作模式或脈沖跳越模式。

　　3.2.1  脈沖跳越模式（Pulse Skip Mode）

　　在脈沖跳越模式，誤差放大器調(diào)節(jié)峰值電感器電流，以交付所需要的輸出功率。在輕載時(shí)，在每個(gè)脈沖上電感電流可以達(dá)到零（關(guān)斷同步整流器MIN），在不連續(xù)模式操作。在非常輕的負(fù)載下，降壓開關(guān)穩(wěn)壓器將會(huì)自動(dòng)跳過脈沖，以維持輸出電壓調(diào)節(jié)。在高占空因數(shù)（VOUT>PVIN1/2）時(shí)，電感電流可能會(huì)反向，致使降壓變換器開關(guān)連續(xù)。欲利用脈沖跳越模式，需使IC引腳MODE保持低電平。

　　3.2.2  突發(fā)模式（Burst Mode）

　　將IC引腳MODE拉至高電平，降壓變換器將在突發(fā)模式操作，自動(dòng)在固定頻率PWM操作與滯后控制之間轉(zhuǎn)換。當(dāng)輸出電容的充電電壓稍高于調(diào)節(jié)點(diǎn)時(shí)，降壓變換器則自動(dòng)進(jìn)入睡眠模式。在睡眠模式，開關(guān)穩(wěn)壓器的大多數(shù)電路將切斷電源，因此在輕載時(shí)有著比脈沖跳躍模式更高的效率。

　　3.3  降壓-升壓開關(guān)穩(wěn)壓器

　　LTC3558的降壓-升壓開關(guān)穩(wěn)壓器在電壓模式和2.25MHz的固定頻率上操作，能提供直到400mA的輸出負(fù)載電流，輸出電壓可在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上的分壓器電阻，如圖6所示。

　　當(dāng)輸入電壓遠(yuǎn)高于輸出電壓時(shí)，穩(wěn)壓器工作在降壓模式；當(dāng)輸入電壓遠(yuǎn)低于輸出電壓時(shí)，穩(wěn)壓器則在升壓模式操作。

　　3.3.1  PWM操作模式與突發(fā)模式操作

　　通過將IC引腳保持低電平，降壓-升壓變換器將進(jìn)入PWM操作模式。在適度的重載條件下，在定頻PWM操作有著最小的開關(guān)噪聲。

　　若將IC引腳MODE拉至高電平，穩(wěn)壓器將進(jìn)入突發(fā)模式。在較輕的負(fù)載下，在突發(fā)模式操作，輸出電流被限制在50mA。當(dāng)輸出電容上的充電電壓稍高于調(diào)節(jié)點(diǎn)時(shí)，穩(wěn)壓器則進(jìn)入睡眠模式。在突發(fā)模式操作，能使開關(guān)損耗大大降低，易于滿足輕載效率標(biāo)準(zhǔn)要求。

　　3.3.2  環(huán)路補(bǔ)償

　　降壓-升壓開關(guān)穩(wěn)壓器可以采用簡單的I型補(bǔ)償（見圖7）

　　IC引腳FB2是誤差放大器反相輸入端，引腳VC2是誤差放大器輸出端。誤差放大器單位增益頻率fUG可表示為：

　　圖8所示為誤差放大器環(huán)路的III型補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)，其傳輸函數(shù)為：

圖8  III型補(bǔ)償電路

　　式中，s為傳輸系數(shù)。

　　III型補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)可獲得較大的頻帶寬度，改善瞬態(tài)響應(yīng)，減小啟動(dòng)時(shí)VOUT2產(chǎn)生的過沖。對(duì)于3.3V的輸出，補(bǔ)償元件推薦值分別為：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(shí)際應(yīng)用電路

　　LTC3558可以在沒有電池連接到引腳BAT上的情況下操作，如圖9所示。

圖9  LTC3558可以在無電池連接時(shí)操作

　　降壓開關(guān)穩(wěn)壓器輸出為1.8V（@400mA），降壓-升壓開關(guān)穩(wěn)壓器輸出為3.3V（@400mA）。在IC引腳SWAB2與SWCD2之間連接的2.2μH的電感器為降壓-升壓穩(wěn)壓器的輸出電感器。NTC熱敏電阻（R25=100kΩ）的偏置電阻分別為110kΩ和28.7kΩ，故充電器的熱和冷解扣點(diǎn)分別設(shè)置在55℃和0℃。在IC引腳BAT上連接的1Ω的電阻和4.7μF的電容，可保證充電器穩(wěn)定。

　　從墻上AC適配器加電的LTC3558應(yīng)用電路如圖10所示。

圖10  從墻上適配器加電的應(yīng)用電路

　　其充電器的充電電流可達(dá)950mA，降壓開關(guān)穩(wěn)壓器的輸出為1.2V（@400mA），降壓-升壓開關(guān)穩(wěn)壓器的輸出為3.3V（@400mA）。充電器通過NTC熱敏電阻將電池溫度解扣點(diǎn)設(shè)置在0℃和40℃，LED用作充電狀態(tài)指示。

　　5、結(jié)束語

　　LTC3558是一種帶兩個(gè)高效開關(guān)穩(wěn)壓器的USB充電器，它是為應(yīng)用于小功率手持式設(shè)備而專門設(shè)計(jì)的。直達(dá)950mA的可編程充電電流可對(duì)單節(jié)鋰離子或聚合物電池充電，在充電過程中電池狀態(tài)被監(jiān)視，4h的安全定時(shí)器期滿時(shí)控制充電器終止。利用NTC熱敏電阻來測(cè)量電池溫度并設(shè)置電池充電時(shí)的溫度范圍。LTC3558降壓和降壓-升壓開關(guān)穩(wěn)壓器輸出電壓均可編程，效率高于90%，分別能提供直到400mA的輸出電流，為微控制器內(nèi)核及其I/O、存儲(chǔ)器、磁盤驅(qū)動(dòng)器或其它邏輯電路供電。