LTC4155：打造高效電源管理與充電解決方案

在電子設備的設計中，電源管理和電池充電是至關重要的環節。今天我們要深入探討的是 Linear Technology（現屬于 Analog Devices）推出的一款強大的電源管理芯片——LTC4155，它在多方面表現出色，能為各類便攜式設備提供可靠的電源管理和充電功能。

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一、LTC4155簡介

LTC4155 是一款 15 瓦 (I^{2} C) 控制的電源管理器，具備 PowerPath? 即時導通操作、高效的開關式電池充電功能，還能與 USB 完美兼容。它可以無縫地管理來自兩個 5V 電源（如 USB 端口和壁式適配器）的電力分配，為單節可充電鋰離子/聚合物電池以及系統負載提供穩定的電力。

二、關鍵特性剖析

1. 高效充電與出色的電源管理

• 高效充電器：能夠提供高達 3.5A 的充電電流，且采用了單片式開關穩壓器，能充分利用有限的功率和熱預算，減少熱量產生，提高效率。在一些對充電速度要求較高的設備中，如平板電腦、智能手機等，它可以快速為電池補充電量，同時保證設備的穩定性。
• 雙輸入過壓保護：通過雙輸入過壓保護控制器，能夠有效防止因電壓過高而對芯片造成損壞。當檢測到輸入電壓超過安全閾值時，會迅速采取措施保護電路，確保設備的安全性。
• 優先多路復用：支持多個輸入的優先多路復用功能，可以根據預設的優先級自動選擇合適的電源輸入。例如，當壁式適配器和 USB 端口同時連接時，它可以根據設定的規則優先選擇其中一個電源為設備供電，提高電源使用的靈活性。
• I2C 控制與狀態反饋：借助 (I^{2} C) 接口，用戶可以對輸入電流、充電電流、電池浮動電壓、充電終止等多個參數進行靈活調整，實現智能化的控制。同時，芯片還能實時反饋關鍵系統和充電參數的狀態，方便工程師進行監測和調試。
• NTC 熱敏電阻 ADC：配備 NTC 熱敏電阻 ADC，可用于實現溫度相關的充電算法（JEITA）。在電池充電過程中，實時監測電池溫度，當溫度過高或過低時，自動調整充電策略，確保電池的安全和壽命。
• 即時導通操作：在電池電量極低的情況下，也能實現即時導通操作，保證系統能夠立即啟動。這對于需要在任何情況下都能迅速響應的設備，如應急設備、醫療設備等，具有重要意義。
• 電池理想二極管控制器：通過電池理想二極管控制器進行電源管理，能夠確保在輸入功率不足或缺失時，系統依然能夠獲得充足的電力供應。當外部電源斷開時，電池可以迅速為系統供電，避免設備關機或出現故障。
• USB 即插即用電源傳輸：支持 USB On - The - Go 功能，無需額外組件即可向 USB 端口提供 5V 電源。這使得設備可以作為電源為其他 USB 設備充電，增加了設備的使用場景和實用性。

2. 詳細的電氣特性

• 輸入電源電壓：輸入電源電壓范圍為 4.35V 至 5.5V，能夠適應不同的電源環境。
• 充電電流與電壓設置：提供了多種充電電流和電池浮動電壓的設置選項，可通過 (I^{2} C) 進行靈活選擇。例如，充電電流可以在 12.5% 至 100% 的范圍內進行調整，電池浮動電壓有 4.05V、4.10V、4.15V 和 4.20V 四個可選設置，滿足不同電池的充電需求。
• 其他特性：還具備輸入靜態電流、電池放電電流、輸入電流限制等一系列電氣特性，確保芯片在各種工作條件下都能穩定運行。

三、引腳功能解讀

LTC4155 共有 29 個引腳，每個引腳都有其特定的功能，下面為大家介紹幾個關鍵引腳：

• SDA（Pin 1）和 SCL（Pin 28）：這兩個引腳構成了 (I^{2} C) 串行端口的數據輸入/輸出和時鐘輸入，用于與外部設備進行通信和控制。通過 (I^{2} C) 接口，我們可以方便地對芯片的各種參數進行設置和讀取。
• DVCC（Pin 2）：為 (I^{2} C) 串行端口提供邏輯電源，同時設置 SDA 和 SCL 引腳的參考電平，確保 (I^{2} C) 通信的穩定性。
• IRQ（Pin 3）：是一個開漏中斷輸出引腳，當芯片內部發生各種可屏蔽的狀態變化事件時，可以通過該引腳向外部設備發出中斷信號，提醒進行相應的處理。
• ID（Pin 4）：用于 USB A 設備檢測。當連接到迷你或微型 USB 連接器時，該引腳可以檢測到 USB 電纜的 “A” 端是否連接到產品。如果該引腳被拉低，并且 (I^{2} C) 端口中的 LOCKOUT_IDPIN 位未設置，則開關式 PowerPath 將反向操作，從電池向 (V{BUS}) 引腳提供 USB 電源，實現 USB On - The - Go 功能。
• CLPROG1（Pin 5）和 CLPROG2（Pin 6）：這兩個引腳用于設置 (V{BUS}) 電流限制。通過連接不同阻值的電阻到地，可以精確控制從 (V{BUS}) 引腳吸取的電流上限，滿足不同應用場景下對輸入電流的要求。
• WALLSNS（Pin 7）和 USBSNS（Pin 8）：分別是最高優先級和最低優先級的多路復用器輸入以及過壓保護檢測輸入。通過連接到相應的輸入電源連接器和外部 MOSFET 晶體管，實現對輸入電源的監測和保護。當檢測到輸入電壓超過安全閾值時，相應的保護機制將被觸發，防止芯片受到損壞。
• USBGT（Pin 9）和 WALLGT（Pin 11）：是過壓保護和優先多路復用器的柵極輸出引腳，用于控制外部 N 溝道 MOSFET 通晶體管的導通和關斷，實現對輸入電源的切換和保護。
• BATGATE（Pin 17）：用于控制外部 P 溝道 MOSFET 晶體管的柵極，實現對鋰離子電池的充電和為 (Vout) 提供電源的功能。當系統負載超過可用輸入功率時，該引腳可以調節 MOSFET 的導通狀態，確保系統的穩定運行。
• PROG（Pin 18）：是充電電流編程和監測引腳，通過連接一個電阻到地，可以設置最大電池充電速率。同時，該引腳的電壓還可以反映實際的充電電流，方便進行監測和控制。

四、工作模式與操作原理

1. 輸入電流受限的降壓式開關充電器

電源從 (V{BUS}) 傳輸到 (V{OUT}) 由一個 2.25MHz 恒定頻率的降壓式開關穩壓器控制。該穩壓器會根據電池電壓、電池充電電流、輸出電壓、輸入電流、輸入欠壓和外部 PMOS 充電器 FET 功率耗散等六個調節環路中的任何一個來降低輸出功率。在 USB 低功率（100mA）和 USB 暫停（2.5mA）模式下，開關穩壓器會被禁用，功率通過線性穩壓器傳輸。

2. 電池浮動電壓調節

當電池充電器啟用時，開關穩壓器會降低其輸出功率，以防止 (V{BATSNS}) 超過編程的電池浮動電壓 (V{FLOAT})。通過 (I^{2} C) 接口的 VFLOAT[1:0] 位，可以從四個可能的選擇中選擇浮動電壓，分別為 4.05V、4.10V、4.15V 和 4.20V。

3. 電池充電電流調節和低電池涓流充電

開關穩壓器還會降低其輸出功率，以將電池充電電流 (I{CHARGE}) 限制在編程的最大值。電池充電電流的編程通過一個連接在 PROG 和地之間的電阻 (R{PROG}) 來設置默認最大充電電流，再結合 (I^{2} C) 可調節功能來選擇性地降低編程充電電流。可以通過采樣 PROG 引腳電壓來確定電池充電電流： [I{BAT}=frac{V{PROG}}{R_{PROG}} cdot 1000] 當電池電壓低于大約 3.25V 時，充電電流調節伺服電壓會逐漸降低，以保護外部 PMOS 晶體管免受過載損壞，并對過度耗盡的電池進行涓流充電，延長電池壽命。

4. (V_{OUT}) 電壓調節

當電池充電器啟用時，(V{OUT}) 會通過內部充電電流檢測電阻和外部 PMOS 電池 FET 連接到 BATSNS。LTC4155 會盡量防止 (V{OUT}) 在電池深度放電時低于大約 3.5V，以確保系統能夠即時啟動。如果系統負載加上電池充電器負載超過可用輸入功率，電池充電電流將被犧牲，以優先保障系統負載，并維持開關穩壓器的輸出電壓，同時仍遵守輸入電流限制。

5. 輸入電流調節

為滿足可用電源（USB/壁式適配器）的最大負載規格，開關穩壓器包含一個測量和控制系統，確保平均輸入電流低于在 CLPROG1 或 CLPROG2 引腳以及 (I^{2} C) 端口上編程的水平。通過連接一個推薦值的 1% 容差電阻到 CLPROG1 和 CLPROG2 引腳，可以保證符合 2.5mA、100mA、500mA 和 900mA 的 USB 2.0/3.0 電流規格，同時還允許通過 (I^{2} C) 選擇其他高達 3A 的電流限制。

6. 輸入欠壓電流限制

LTC4155 可以承受與輸入電源的電阻連接，當 (V_{BUS}) 引腳電壓降至 4.3V 時，自動減少功率傳輸，防止可能的欠壓鎖定（UVLO）振蕩。該欠壓電流限制功能可以通過 (I^{2} C) 使用 DISABLE_INPUT_UVCL 位禁用。

7. USB On - The - Go 5V 升壓轉換器

LTC4155 的開關穩壓器可以反向操作，從電池向 (V{BUS}) 輸送功率，同時將 (V{BUS}) 電壓升壓到 5V。該模式可以通過監測 USB 電纜的 ID 引腳自動啟動，或者通過 (I^{2} C) 命令 REQUEST_OTG 直接啟用。在 USB - OTG 模式下，開關穩壓器可以支持高達 500mA 的 USB 高功率負載，并能在檢測到故障時限制電流并關閉通道。

8. 其他工作模式

• 100mA 線性電池充電器模式：支持 USB 低功率操作，總輸入電流保證低于 100mA。在該模式下，降壓式開關穩壓器不工作，由線性穩壓器為 (V_{OUT}) 和電池提供功率。
• 2.5mA 線性暫停模式：當產品連接到暫停的 USB 端口時，LTC4155 可以從 (V{BUS}) 向 (V{OUT}) 提供少量電流，以減少電池放電。在該模式下，電池充電將被禁用。
• 理想二極管和最小 (V_{OUT}) 控制器模式：通過理想二極管控制器確保系統在輸入功率缺失或不足時仍能獲得足夠的電力供應。當輸入功率可用時，PMOS 柵極通常會接地，以實現開關穩壓器和電池之間的最大導通效率；當電池深度放電時，會自動增加開關穩壓器和電池之間的阻抗，防止 (V_{OUT}) 低于大約 3.5V。
• 低功率運輸和儲存模式：在該模式下，LTC4155 可以將其極低的待機電流降低到大約 1μA。通過將外部 PMOS 柵極驅動到電池電壓，可以禁用 FET 導通，切斷對 (V_{OUT}) 下游負載的所有電源，最大限度地延長產品制造和銷售之間的電池壽命。

五、I2C 接口與通信協議

1. (I^{2} C) 接口概述

LTC4155 通過標準的 (I^{2} C) 2 線接口與總線主控器進行通信。SDA 和 SCL 兩條總線線在總線未使用時必須為高電平，需要外部上拉電阻或電流源來確保通信的正常進行。芯片既是從接收器又是從發射器，(I^{2} C) 控制信號 SDA 和 SCL 在內部會根據 DVCC 電源進行縮放，因此 DVCC 應連接到與總線上拉電阻相同的電源。

2. 通信協議細節

• 總線速度：(I^{2} C) 端口設計為最高可在 400kHz 的速度下運行，內置了定時延遲，以確保從 (I^{2} C) 兼容主設備尋址時的正確操作，同時還包含輸入濾波器，用于抑制干擾。
• START 和 STOP 條件：總線主控器通過發送 START 條件來啟動通信，START 條件是在 SCL 為高電平時，SDA 從高電平轉變為低電平。主控器可以發送從設備寫地址或從設備讀地址。數據寫入 LTC4155 后，主控器可以發送 STOP 條件，命令 LTC4155 執行新的命令集，STOP 條件是在 SCL 為高電平時，SDA 從低電平轉變為高電平。
• 字節格式：每個發送到或從 LTC4155 接收的幀必須為 8 位長，后面跟著一個額外的時鐘周期用于確認位。數據應先發送最高有效位（MSB）。
• 主設備和從設備的角色：連接到 (I^{2} C) 總線的設備可以分為主設備和從設備。主設備負責發起通信，控制 SCL 時鐘信號；從設備則響應主設備的請求。在通信過程中，發送器負責控制 SDA 線在每個幀的 8 位數據部分，接收器負責控制 SDA 線在每個幀的第九個也是最后一個確認時鐘周期。
• 確認信號：確認信號（ACK）用于發送器和接收器之間的握手。當 LTC4155 被寫入時，它會作為從接收器確認其寫地址以及后續的數據字節；當被讀取時，它會作為從接收器確認其讀地址。在讀取操作中，根據 (I^{2} C) 規范，主接收器在讀取最后一個數據字節后應發送一個非確認（NACK）信號，以指示從發送器釋放總線控制權，但由于 LTC4155 無論如何都會在發送一個字節的數據后釋放總線，因此主設備發送 ACK 或 NACK 信號并無實際影響。
• 從設備地址：LTC4155 響應一個 7 位的地址，該地址已在工廠編程為 0b0001_001[R/W]。地址字節的最低有效位（LSB）為讀/寫位，寫數據到 LTC4155 時應為 0，從 LTC4155 讀取數據時應為 1。因此，寫地址為 0x12，讀地址為 0x13，LTC4155 會確認其讀和寫地址。
• 子地址訪問：LTC4155 有四個命令寄存器用于控制輸入，三個狀態寄存器用于狀態報告。通過 (I^{2} C) 端口的子地址指針系統可以訪問這些寄存器，每個子地址值指向 LTC4155 內的七個控制或狀態寄存器之一。子地址指針在總線寫操作中總是緊跟在 LTC4155 寫地址之后的第一個字節寫入，其值在總線寫操作后會保留，并在后續的總線讀操作中確定 LTC4155 返回的數據字節。
• 總線寫操作：總線主控器通過發送 START 條件和 LTC4155 的寫地址來啟動與 LTC4155 的通信。如果地址匹配，LTC4155 會返回一個確認信號。然后，總線主控器應發送子地址，子地址值在 LTC4155 返回子地址確認位后會被傳輸到一個特殊的指針寄存器中。如果主控器希望繼續寫事務，可以接著發送數據字節，數據字節在 LTC4155 確認數據字節時會被傳輸到子地址指針所指向的內部待處理數據寄存器中。主控器可以在任何偶數或奇數個字節后通過重復 START 或 STOP 條件終止與 LTC4155 的通信。
• 總線讀操作：LTC4155 包含七個可讀寄存器，其中三個為只讀寄存器，包含狀態信息；四個包含控制信息，可以由總線主控器進行寫入和讀取。在每次總線讀操作中，只有七個子地址數據寄存器中的一個可以訪問，LTC4155 返回的數據來自子地址指針寄存器內容所指向的數據寄存器。為準備總線讀操作，總線主控器可能會在只發送奇數個字節后通過 STOP 或重復 START 條件提前終止寫事務，最后發送的字節代表對后續總線讀操作感興趣的寄存器的指針。總線主控器通過發送 START 或重復 START 條件，然后發送 LTC4155 讀地址來從 LTC4155 讀取狀態數據。如果讀地址匹配，LTC4155