LTC3455提供了一種緊湊、易于使用的解決方案

介紹

LTC3455 提供了一種緊湊、易于使用的解決方案，可在三種不同的輸入電源之間無(wú)縫轉(zhuǎn)換：?jiǎn)喂?jié)鋰離子電池、USB 端口和 5V 墻上適配器。該器件包含兩個(gè)同步降壓 DC/DC 轉(zhuǎn)換器、一個(gè) USB 電源控制器（可將 USB 電流精確限制為 500mA 或 100mA）、一個(gè)功能齊全的單節(jié)鋰離子電池充電器、一個(gè) 200mA 熱插拔?輸出、低電量指示器和眾多內(nèi)部保護(hù)功能全部壓縮到薄型（0.8mm 高）4mm × 4mm 24 引腳 QFN 封裝中（圖 1）。

圖1.一個(gè)完整的“即插即用”便攜式電源管理解決方案，采用微型封裝。

典型LTC3455應(yīng)用的簡(jiǎn)單性如圖2所示。本應(yīng)用中DC/DC轉(zhuǎn)換器的效率如圖3所示。該器件可在內(nèi)部處理重要的系統(tǒng)啟動(dòng)和保護(hù)問題（軟啟動(dòng)、電源排序、充電器熱限制、所有輸出的電流限制等），這有助于最大限度地減少外部元件的數(shù)量。對(duì)于只需要電池和USB電源，無(wú)需5V墻上適配器的應(yīng)用，該電路甚至更簡(jiǎn)單（參見圖2中的注釋）。

圖2.LTC3455的典型應(yīng)用。

圖3.直流/直流轉(zhuǎn)換器效率。

雙通道高效 DC/DC 轉(zhuǎn)換器

LTC3455 包含兩個(gè) 1.5MHz 恒定頻率電流模式開關(guān)穩(wěn)壓器，其工作效率高達(dá) 96%。開關(guān)穩(wěn)壓器 1 在 400.1V/5.1V 時(shí)提供高達(dá) 8mA 的電流 （為微控制器內(nèi)核供電），開關(guān)穩(wěn)壓器 2 在 600.3V 時(shí)提供高達(dá) 3mA 的電流 （為微控制器 I/O、存儲(chǔ)器和其他邏輯電路供電）。當(dāng)輸入電壓非常接近輸出電壓時(shí)，兩個(gè)轉(zhuǎn)換器都支持 100% 占空比操作（低壓差模式），并且都能夠執(zhí)行突發(fā)模式操作，以便在輕負(fù)載下實(shí)現(xiàn)最高效率（突發(fā)模式可通過引腳選擇）。切換臺(tái) 2 具有獨(dú)立的開/關(guān)控制，但僅在切換臺(tái) 1 也處于啟用狀態(tài)并處于穩(wěn)壓狀態(tài)時(shí)運(yùn)行。如果在初始上電時(shí)兩者都使能，則切換臺(tái) 2 僅在切換臺(tái) 1 達(dá)到其編程值的 90% 后才會(huì)開啟。這種上電延遲可確保正確的電源排序，并降低啟動(dòng)時(shí)的峰值電池電流。?

只要有外部電源，就會(huì)使能電池充電器和切換臺(tái)1（內(nèi)核電源）。這確保了電池始終可以充電，并且只要有外部電源可用，微控制器始終處于活動(dòng)狀態(tài)。切換臺(tái) 2 也可設(shè)置為在有外部電源時(shí)打開。此外，所有系統(tǒng)電源均來(lái)自適當(dāng)?shù)耐獠侩娫?，一旦電池充滿電，電池上的電流消耗將降至10μA。

充分利用 USB 電源

USB（通用串行總線）的普及使其成為在設(shè)備之間傳輸數(shù)據(jù)和電源的有吸引力的選擇。在為電池充電的同時(shí)通過USB為便攜式設(shè)備供電的能力顯然是可取的（沒有壁式疣），但這不一定是一個(gè)簡(jiǎn)單的設(shè)計(jì)問題。單個(gè)USB端口（最大2.5W）的可用功率幾乎不足以支持許多全功能便攜式設(shè)備所需的峰值功率，即使不增加快速充電所需的功率。

更復(fù)雜的是，USB端口不是理想的電源。每個(gè)器件在高功率模式下最大可消耗500mA電流（或在低功耗模式下可消耗100mA電流），但提供給便攜式設(shè)備的電壓可能會(huì)有很大差異。盡管 USB 電源的標(biāo)稱額定值為 5V，但當(dāng)包括正常電源變化、電纜損耗和瞬態(tài)條件時(shí)，便攜式設(shè)備上顯示的 USB 電壓通常要低得多，通常降至僅 4V（即使最低 USB 規(guī)格為 4.35V）。由于USB端口具有500mA的嚴(yán)格電流限制，這意味著便攜式設(shè)備可用的功率可以低至2W。當(dāng)USB電壓本身可能低于4.2V時(shí)，當(dāng)嘗試對(duì)單節(jié)鋰離子電池（最終充電電壓為4.2V）充滿電時(shí)，降低的USB電壓也會(huì)出現(xiàn)問題。

LTC3455 的 USB 電源控制器專為解決這些問題而設(shè)計(jì)，它提供了多種功能，可充分利用 USB 端口所提供的功率。一旦 USB 引腳電壓達(dá)到 3.9V，該器件就會(huì)消耗 USB 電源，并繼續(xù)獲取電源，直到引腳電壓降至 3.7V 以下。如果USB引腳電壓降至4.5V以下，充電電流會(huì)逐漸降低（最終在4.0V左右關(guān)斷），以幫助防止在使用長(zhǎng)電阻式USB電纜時(shí)出現(xiàn)“顫振”和穩(wěn)定性問題。圖4顯示了USB電壓下降時(shí)充電電流的降低。

圖4.充電電流與 USB 電壓的關(guān)系。

內(nèi)部 USB 電源控制器還自動(dòng)調(diào)節(jié)電池充電電流，以幫助將系統(tǒng)總電流保持在嚴(yán)格的 500mA 或 100mA USB 限值以下。系統(tǒng)的其余部分消耗所需的任何電流，但電池充電電流會(huì)降低，以試圖將總系統(tǒng)電流保持在嚴(yán)格的USB 500mA/100mA限制以下。圖5中的圖表顯示了充電電流I.BAT，隨著系統(tǒng)其余部分所需電流的增加而減?。ㄇ袚Q器和所有其他外部設(shè)備都從 V 獲取電流.MAX圖釘）。USB 總電流，IUSB，始終保持在500mA以下。

圖5.IBAT與總系統(tǒng)電流。

鋰離子電池充電器

電池充電器是恒流、恒壓充電器。在恒流模式下，最大充電電流由單個(gè)外部電阻器設(shè)置。當(dāng)電池接近最終浮動(dòng)電壓時(shí)，隨著充電器切換到恒壓模式，充電電流開始減小。充電周期僅由充電定時(shí)器終止，充電定時(shí)器使用單個(gè)外部電容器進(jìn)行編程。USB 供電時(shí)最大充電電流為 500mA，墻上適配器供電時(shí)最大充電電流高達(dá) 1A。USB 電源控制器將自動(dòng)節(jié)流充電電流，以幫助在 USB 電源下將總 USB 引腳電流保持在 500mA 以下。當(dāng)電池在充電周期開始時(shí)低于2.8V時(shí)，充電器進(jìn)入涓流充電模式，將充電電流降低到其編程最大值的十分之一。如果管芯溫度上升到預(yù)設(shè)值約105°C以上，內(nèi)部熱限值會(huì)降低充電電流。 此功能不僅可以保護(hù) LTC3455 免受過熱的影響，還可以縮短充電時(shí)間，因?yàn)樗试S用戶設(shè)置一個(gè)更高的最大充電電流 — 同時(shí)考慮到給定應(yīng)用的典型環(huán)境溫度，而不是最差情況的環(huán)境溫度 — 并保證充電器將在最壞情況下自動(dòng)減小電流。

熱插拔輸出

提供 200mA 熱插拔輸出，用于為安全數(shù)字 （SDIO） 卡、存儲(chǔ)卡和任何其他可熱插拔到系統(tǒng)的外部設(shè)備供電。如果直接熱插拔到其中一個(gè)切換臺(tái)輸出中，這些外部設(shè)備最初顯示為短路，可能會(huì)拖累輸出，從而導(dǎo)致重大系統(tǒng)問題。HSO 輸出只能在 LTC3455 接通時(shí)工作，并采用 HSON 引腳使能。對(duì)于不需要熱插拔的應(yīng)用，該輸出可以簡(jiǎn)單地用作200mA負(fù)載開關(guān)（由HSON引腳控制）。

低電量檢測(cè)器/LDO

LTC3455 包含一個(gè)額外的增益模塊 （引腳 AI 和 AO），該模塊可用作低電池電量指示器，或用作 LDO 并附加一個(gè)外部 PNP 或 PMOS。只要器件使能，該增益模塊就會(huì)激活，并在關(guān)斷期間關(guān)閉，以最大限度地減少電池消耗。在 LTC3455 導(dǎo)通之前，低電池電量檢測(cè)器不會(huì)報(bào)告低電池電量情況，但對(duì)于大多數(shù)應(yīng)用來(lái)說，這不是問題，因?yàn)?LTC3455 無(wú)論如何都會(huì)為微控制器和系統(tǒng)中的所有其他智能供電。LDO 非常方便需要第三個(gè)輸出的應(yīng)用，如 2.5V 或安靜的 3V 電源。

將 3.3V 輸出電流增加到 1.2A

在 900mA 的內(nèi)部電流限值下，開關(guān)穩(wěn)壓器 2 通常提供 3.3V、600mA 輸出。雖然該輸出電流足以滿足許多便攜式設(shè)備的需求，但某些應(yīng)用需要能夠提供3A以上電流的3.1V電源。圖 6 示出了如何利用 LTC3 實(shí)現(xiàn)一個(gè)較高電流的 3.3455V 輸出。通過增加一個(gè)纖巧的SOT-23 PMOS并將增益模塊用作LDO，3.3V輸出現(xiàn)在可提供1.2A的輸出電流。開關(guān)穩(wěn)壓器2的輸出電壓設(shè)置為3.3V，LDO的輸出電壓設(shè)置為3.2V（低3%）。只要負(fù)載電流足夠低，開關(guān)穩(wěn)壓器2能夠提供，LDO就會(huì)完全關(guān)斷。該電路非常適合在短時(shí)間內(nèi)需要較高3.3V輸出電流的應(yīng)用。開關(guān)穩(wěn)壓器2通常提供所有輸出電流，LDO將短暫導(dǎo)通以提供更高的負(fù)載電流。

圖6.LTC3455 應(yīng)用采用 3.3V 輸出電流增加到 1.2A。

當(dāng)負(fù)載電流超過切換器2所能提供的電流時(shí)，3.3V輸出略有下降，LDO提供所需的額外電流。圖7顯示了3.3V輸出電流從0.5A步進(jìn)至1.2A時(shí)的瞬態(tài)響應(yīng)?？梢栽黾痈嗟妮敵?a href="http://www.wenjunhu.com/tags/電容/" target="_blank">電容，以改善這些高電流負(fù)載階躍期間的3.3V瞬態(tài)響應(yīng)。

圖7.負(fù)載電流階躍（0.5A至1.2A）用于3.3V輸出。

帶臨時(shí)備用電源的 USB 電源

雖然 LTC3455 主要設(shè)計(jì)用于鋰離子電池供電的便攜式應(yīng)用，但對(duì)于始終由一個(gè) USB 電源或墻上適配器供電的系統(tǒng)來(lái)說，它也是一個(gè)不錯(cuò)的選擇。然后，可以使用電池充電器為大型電容器或備用電池充電，在斷開外部電源后短暫地為系統(tǒng)供電。這使微控制器有足夠的時(shí)間在主電源突然斷開時(shí)遵循適當(dāng)?shù)年P(guān)斷程序。

圖 8 示出了一款使用 LTC500 的用于 USB 高功率應(yīng)用 （3455mA 最大 USB 電流） 的獨(dú)立電源。系統(tǒng)總功率應(yīng)保持在 1.8W 以下，以確保即使在最壞的 USB 條件下也能清潔運(yùn)行。如圖所示的電阻值，當(dāng) V.MAX引腳電壓降至 4.0V，通知微控制器即將發(fā)生壓差情況。連接在 AI 和 AO 引腳之間的 1MΩ 電阻提供 150mV 的遲滯（壓差指示器保持低電平，直到 V.MAX引腳回升至4.15V以上）。

圖8.帶臨時(shí)備用電源的獨(dú)立 USB 電源。

一個(gè) 4700μF 后備電容器連接到 V.BAT在卸下 USB 電源后，引腳會(huì)短暫地為系統(tǒng)供電，還有助于支持略高于 USB 電流限值的瞬態(tài)負(fù)載。將此大電容連接到 V.BAT引腳有幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)。它提供了一個(gè)大型儲(chǔ)能器，該儲(chǔ)能器與 USB 引腳（USB 規(guī)格將 USB 電源引腳上的電容限制為 10μF 或更低）和 V 隔離.MAX引腳（在此引腳上使用非常大的電容將延遲系統(tǒng)開啟），并且通過使用電池充電器緩慢充電該電容器來(lái)防止大浪涌電流。定時(shí)器引腳連接到 V.MAX，電池充電器在恒流模式下工作（電壓環(huán)路和定時(shí)器功能被禁用），因此 4700μF 電容器始終充滿電至可用的 USB 電壓。

結(jié)論

LTC3455 簡(jiǎn)化了便攜式應(yīng)用的設(shè)計(jì)。它是一個(gè)完整的電源管理解決方案，集成了兩個(gè)降壓型 DC/DC 轉(zhuǎn)換器、一個(gè) USB 電源控制器、一個(gè)全功能鋰離子電池充電器、一個(gè)熱插拔輸出和一個(gè)低電量指示器 — 所有這些都擠在一個(gè)微小的 4mm × 4mm QFN 中。

審核編輯：郭婷