LTC4126-10：低功耗無線鋰電池充電解決方案

在當今的電子設備中，無線充電技術越來越受到關注，特別是對于一些小型、低功耗的設備，如助聽器、無線耳機和物聯網可穿戴設備等。LTC4126-10 作為一款低功耗無線單節鋰離子電池充電器，集成了降壓 DC/DC 調節器，為這些設備提供了一個高效、緊湊的充電解決方案。

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一、產品概述

LTC4126-10 是一款專為無線充電設計的低功耗電池充電器，集成了降壓 DC/DC 轉換器，能夠為單節鋰離子電池進行無線充電，并提供 1.2V 的輸出，適合為助聽器 ASIC 供電。該產品具有以下主要特點：

1. 無線充電功能：支持 DC 至 >10MHz 的寬帶 Rx 頻率，可通過外部 LC 諧振電路無線接收能量。
2. 集成整流器：帶有過壓限制功能，確保充電過程的安全性。
3. 可選擇的充電電壓：通過引腳可選擇 4.1V 或 4.2V 的充電電壓。
4. 固定充電電流：充電電流固定為 10mA，確保電池充電的穩定性。
5. 低電池斷開功能：當電池電壓低于 3.0V 時，自動斷開電池與負載的連接，保護電池。
6. 溫度監測功能：通過 NTC 引腳監測電池溫度，確保在安全溫度范圍內充電。
7. 降壓 DC/DC 調節器：提供 1.2V 的穩定輸出，最大輸出電流可達 60mA。
8. 低噪音開關頻率：開關頻率設置為 50kHz 或 75kHz，避免產生可聽噪音。
9. 多種控制方式：支持按鈕和數字開/關控制 DC/DC 轉換器。
10. 小型封裝：采用 12 引腳 2mm × 2mm LQFN 封裝，適合小型設備應用。

二、工作原理

2.1 AC 電源控制器

LTC4126-10 位于無線充電系統的接收端，通過連接到 ACIN 引腳的外部并聯諧振 LC 諧振電路，從發射線圈產生的交變磁場中無線接收能量。整流和輸入功率控制電路將 ACIN 引腳的交流電壓整流，并將整流后的電壓調節到 (V{CC}) 引腳，使其低于 (V{CC(HIGH)})（典型值為 5.5V）。此外，該產品也可以通過直接連接 DC 電壓源到 (V_{CC}) 引腳來供電，此時需將 ACIN 引腳接地。

2.2 電池充電器

LTC4126-10 包含一個全功能的恒流/恒壓線性電池充電器，具有自動充電、安全定時器自動終止、壞電池檢測和溫度范圍外充電暫停等功能。充電電流內部固定為 10mA，最終充電電壓可通過 (V_{SEL}) 引腳選擇 4.2V 或 4.1V。

• 充電過程：當 (V{CC}) 引腳電壓比 BAT 引腳電壓高 80mV（典型值）時，充電器開始嘗試為電池充電，并啟動一個 3 小時的充電終止定時器。當 (V{CC}) - BAT 差分電壓高于 150mV（典型值）時，充電器進入恒流模式，以 10mA 的額定電流為電池充電。當 BAT 引腳接近最終充電電壓時，充電器進入恒壓模式，充電電流開始下降。
• 自動充電：充電終止后，如果電池電壓下降到 (V_{RECHRG})（典型值為充電電壓的 97.5%）以下，充電器將自動開始新的充電周期。
• 壞電池故障：如果在 3 小時的完整充電周期結束后，電池電壓未能達到 (V_{RECHRG}) 以上，則認為電池有故障，CHRG 引腳的 LED 將快速閃爍（典型值為 4.58Hz）來指示此故障。
• 差分欠壓鎖定（DUVLO）：差分欠壓鎖定電路監測 (V{CC}) 和 BAT 之間的差分電壓，當 (V{CC}) 電壓下降到 BAT 電壓的 27mV（典型值 (Delta V_{UVLO})）以內時，禁用充電器。當差分電壓增加到 80mV 時，充電器恢復充電。
• 差分欠壓電流限制（DUVCL）：當 (V_{CC}) - BAT 差分電壓從約 154mV 下降到 116mV 時，DUVCL 功能會逐漸將充電電流從 10mA 降低到零。當充電電流達到約 4.1mA 時，CHRG 引腳的 LED 快速閃爍以指示 DUVCL 故障；當充電電流達到約 6.0mA 時，LED 恢復慢速閃爍以指示正常操作。
• 溫度合格充電：通過連接到 NTC 引腳的負溫度系數（NTC）熱敏電阻監測電池溫度。如果電池溫度超出安全充電范圍，IC 將暫停充電，并通過 CHRG 引腳和 STAT 引腳發出故障信號，直到溫度恢復到安全范圍。

2.3 DC/DC 轉換器

LTC4126-10 包含一個專有的低噪音多模式電荷泵 DC/DC 轉換器，可通過向 EN 引腳施加低電壓（最大 0.4V）或按下按鈕來開啟。該轉換器可以與充電器同時工作，開關頻率根據工作模式設置為 50kHz 或 75kHz，以避免產生可聽噪音。

• 工作模式：根據電池電壓，電荷泵 DC/DC 轉換器有三種工作模式：
  • 模式 1（(V_{BAT}>3.6V)）：電荷泵工作在 3:1 降壓模式，提供穩定的 1.2V 輸出，最大輸出電流約為 65mA。
  • 模式 2（3.6V > (V_{BAT}) > 3.3V）：電荷泵仍工作在 3:1 降壓模式，但無法維持 1.2V 調節，輸出電壓為電池電壓的三分之一（僅在無負載時）。
  • 模式 3（(V_{BAT}<3.3V)）：電荷泵切換到 2:1 降壓模式，再次提供穩定的 1.2V 輸出，最大輸出電流隨電池電壓下降，但不低于約 35mA。
• 處理大負載：在模式 1 或模式 2 下，如果輸出端的大負載導致輸出電壓下降到 1.05V 以下，轉換器將自動切換到模式 3，并嘗試將輸出調節到 1.2V。轉換器將在模式 3 下保持 1.7s（典型值），然后返回之前的模式。
• 轉換器效率：DC/DC 轉換器的效率在整個電池電壓范圍內變化，并且很大程度上取決于其工作模式。理論上，模式 1 的最大效率可達 85.7%（(V{BAT}=4.2V)）和 100%（(V{BAT}=3.6V)）；模式 3 的最大效率可達 72.7%（(V{BAT}=3.3V)）和 80%（(V{BAT}=3.0V)）。

三、應用信息

3.1 無線電力傳輸

在無線電力傳輸系統中，通過發射線圈中的交流電流產生交變磁場，當接收線圈放置在該磁場中時，會感應出交流電流。LTC4126-10 內部的二極管將 ACIN 引腳的交流電壓整流。通過將 LC 諧振電路連接到 ACIN 引腳，并調諧到與發射線圈交流電流頻率相同的頻率，可以提高跨越氣隙的電力傳輸范圍。

3.2 接收器和單晶體管發射器

單晶體管發射器是一種 DC/AC 轉換器，可用于驅動交流電流進入發射線圈。NMOS 晶體管 M1 由 LTC6990 振蕩器產生的 50% 占空比方波驅動。通過設置發射 LC 諧振電路的頻率為驅動頻率的 1.29 倍，可以顯著降低 M1 的開關損耗。接收器的 LC 諧振電路（(LRX) 和 (C_{RX})）應調諧到與發射 LC 諧振電路的驅動頻率相同。

3.3 選擇發射功率水平

發射功率應盡可能設置得低，以在最壞情況下的耦合條件下獲得所需的輸出功率。需要注意的是，雖然 LTC4126-10 能夠分流多余的接收功率以維持 (V{CC}) 電壓在所需范圍內，但這可能會導致芯片溫度升高，甚至可能影響電池溫度。因此，在確定發射功率水平后，應在最佳耦合條件下檢查芯片溫度和 ACIN 引腳的最大負電壓，確保 (V{CC}-V_{ACIN}) 不超過 16V。

3.4 組件選擇

為了確保 LTC4126-10 的最佳性能，應選擇具有良好品質因數的接收和發射線圈，以提高整體電力傳輸效率。在發射和接收 LC 諧振電路中，應使用低 ESR 和低熱系數的電容器，如 C0G 陶瓷電容器。同時，應選擇高靈敏度的 NTC 熱敏電阻，并根據需要調整偏置電阻 (R{BIAS}) 和去敏電阻 (R{D}) 來設置熱/冷溫度閾值。

3.5 PCB 布局考慮

由于 LTC4126-10 封裝的外露焊盤是唯一的接地引腳，并且是充電器和 DC/DC 轉換器的回流路徑，因此必須將其焊接到 PCB 接地層，以確保良好的電氣連接。為了實現最佳的熱性能，應在封裝背面的外露焊盤下方設置一組過孔，直接連接到內部接地平面。同時，接地平面應盡可能靠近 PCB 的頂層，以減少寄生電感。

四、典型應用電路

文檔中提供了幾種典型的應用電路，包括全功能應用電路和最小組件數量應用電路。這些電路展示了如何使用 LTC4126-10 進行無線充電設計，并提供了詳細的組件選擇和參數設置建議。

五、相關產品

文檔還介紹了一些與 LTC4126-10 相關的產品，包括 LTC4120、LTC4123、LTC4125 等，這些產品在無線充電領域具有不同的特點和應用場景，可以根據具體需求進行選擇。

LTC4126-10 是一款功能強大、性能優越的無線鋰電池充電器，適用于各種低功耗設備的無線充電應用。通過合理的設計和組件選擇，可以充分發揮其優勢，為電子設備提供高效、可靠的充電解決方案。你在實際應用中是否遇到過類似產品的設計挑戰呢？你又是如何解決的呢？歡迎在評論區分享你的經驗。