LTC3552-1：單節鋰離子電池充電與雙路DC/DC轉換的理想方案

在電子設備的設計中，電源管理一直是關鍵環節。今天，我們來介紹一款來自Linear Technology的高性能芯片——LTC3552-1，它在單節鋰離子電池充電和雙路DC/DC轉換方面表現出色，特別適合便攜式設備應用。

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一、功能與特性

充電功能

LTC3552-1的充電功能相當強大，可編程充電電流最高可達950mA。它內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，就能實現高效充電。其充電電壓固定為4.2V，精度高達±1%，能有效保護電池安全。同時，它還具備熱調節功能，可在不導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、充電電流監測輸出用于電量計量、自動再充電功能，以及充電狀態輸出和“電源存在”輸出等實用功能。

DC/DC轉換功能

該芯片還集成了雙路DC/DC轉換器，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）。采用同步降壓開關調節器架構，開關頻率固定為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，充電周期開始。充電器先進入恒流模式，向電池提供編程的充電電流。當BAT引腳電壓接近最終浮充電壓（4.2V）時，進入恒壓模式，充電電流逐漸減小。當充電電流降至編程的終止閾值（由外部電阻RTERM設置）時，充電周期結束。

充電狀態指示

CHRG引腳為開漏輸出，用于指示充電狀態。在充電過程中，該引腳被內部N溝道MOSFET拉低；充電結束或充電器禁用時，引腳變為高阻抗。

自動再充電

充電周期結束后，充電器會持續監測BAT引腳電壓。當電池電壓降至4.10V以下時，充電周期將自動重啟，確保電池保持或接近充滿狀態。

電源狀態指示

PWR引腳也是開漏輸出，用于指示電源狀態。當VIN高于UVLO閾值且比電池電壓高100mV以上時，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

充電器內置軟啟動電路，在充電周期開始時，充電電流會在約100μs的時間內從0線性上升到滿量程電流，可有效減小啟動時的浪涌電流，降低對電源的瞬態電流負載。

熱限制

內部熱反饋回路可在芯片溫度超過預設值（約120°C）時自動降低編程的充電電流，避免充電器過熱損壞，保護芯片的同時也能根據實際環境溫度靈活調整充電電流。

欠壓鎖定

內部欠壓鎖定電路會監測輸入電壓，當VIN低于欠壓鎖定閾值時，充電器將處于關機模式。該電路具有200mV的遲滯，可防止電源MOSFET中的反向電流。

手動關機

在充電周期的任何時刻，將EN引腳置為高電平可使充電器進入關機模式，此時電池放電電流小于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。

雙路開關調節器

基本架構

采用電流模式架構，工作頻率恒定為2.25MHz，兩路調節器共享同一時鐘并同相運行。輸出電壓固定，調節器1為1.8V，調節器2為1.575V。內部集成了電阻分壓器反饋網絡，誤差放大器將分壓后的輸出電壓（VFB）與0.6V參考電壓進行比較，并相應調整電感峰值電流。

主調節器控制回路

在正常工作時，當VOUT反饋電壓低于參考電壓，時鐘周期開始時頂部功率開關（P溝道MOSFET）導通，電流流入電感，負載電流增加，直至達到電流限制值，開關關閉。電感中存儲的能量通過底部開關（N溝道MOSFET）流入負載，直到下一個時鐘周期。峰值電感電流由內部補償的ITH電壓控制，該電壓是誤差放大器的輸出。

低負載電流運行

當負載較輕時，調節器會自動切換到Burst Mode運行模式，PMOS開關根據負載需求間歇性工作，固定電感峰值電流。通過周期性運行，可最小化由功率MOSFET柵極電荷損耗主導的開關損耗。當輸出電壓達到所需的調節值時，主控制回路會中斷。當ITH低于0.35V時，電壓比較器觸發，關閉開關以降低功耗；當ITH超過0.65V時，開關和主控制回路開啟，開始新的周期。

降壓運行

當VCC輸入電源電壓接近輸出電壓時，占空比將增加到100%，進入降壓狀態。此時，PMOS開關持續導通，輸出電壓等于輸入電壓減去內部P溝道MOSFET和電感上的電壓降。需要注意的是，P溝道開關的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，需計算功率損耗。

低電源電壓運行

為防止不穩定運行，調節器內置欠壓鎖定電路，當VCC電壓降至約1.65V以下時，調節器將關閉。

三、應用信息

典型應用電路

典型的LTC3552-1應用電路中，外部組件的選擇取決于充電要求和開關調節器的負載要求。例如，充電電流通過連接PROG引腳到地的單個電阻進行編程，可根據公式(R{PROG }=frac{1000 V}{I{CHG}})和(I{CHG}=frac{1000 V}{R{PROG }})計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引腳到地來設置，終止電流閾值(I{TERM }=frac{100 V}{R{TERM }})。

組件選擇

開關調節器電感選擇

電感值直接影響電感紋波電流(Delta I{L})，其計算公式為(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，電感值還會影響Burst Mode運行，較低的電感值會導致紋波電流增大，在低負載電流時可能會使效率下降。

電感磁芯選擇

不同的磁芯材料和形狀會影響電感的尺寸、電流和價格關系。例如，鐵氧體或坡莫合金材料的環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。實際選擇時，需綜合考慮價格、尺寸、輻射場和EMI等要求。

輸入電容選擇

在連續模式下，轉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，需使用低等效串聯電阻（ESR）的輸入電容，并根據公式(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，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，需根據具體應用需求進行選擇。

四、設計注意事項

效率考慮

開關調節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靜態電流、開關損耗、(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，并采取相應措施提高效率。

熱考慮

雖然LTC3552-1的電池充電器熱調節功能和開關調節器的高效率使其不太可能超過最大結溫，但在高溫、低電源電壓和高占空比的應用中，仍需進行熱分析。可根據公式(T{RISE }=P{D} cdot theta{JA })和(T{J}=T{RISE }+T{AMBIENT })計算溫度上升和結溫。同時，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，建議串聯一個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定性，若該引腳有額外電容，需根據公式(R{PROG } leq frac{1}{2 pi cdot 10^{5} cdot C{PROG }})計算最大電阻值。

電路板布局考慮

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

五、典型應用案例

單節鋰離子電池充電器加降壓轉換器

該應用為單節鋰離子電池提供了全面的充電和電源轉換解決方案。通過合理選擇外部組件，可實現高效充電和穩定的雙路電源輸出，適用于各類便攜式設備。

帶有PowerPath?的鋰離子充電器和降壓轉換器

這種應用在充電和供電過程中，能根據電源情況自動切換，確保電池充電和設備供電的穩定性，進一步提升了系統的可靠性和實用性。

綜上所述，LTC3552-1是一款功能強大、性能優越的電源管理芯片，為電子工程師在設計單節鋰離子電池供電設備時提供了可靠的解決方案。在實際應用中，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，以發揮其最大優勢。你在使用LTC3552-1或類似芯片的過程中遇到過哪些問題呢？歡迎在評論區分享交流。