1、概述

　　凌力爾特（Linear Technology）推出的LTC3558型USB電池充電器，帶有兩個開關穩壓器，適合于在手持式設備中應用。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適配器對單節鋰離子/聚合物電池充電，可編程最大充電電流達950mA。LTC3558的降壓開關穩壓器和降壓-升壓開關穩壓器，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，為微控制器內核、微控制器I/O、存儲器、磁盤驅動器或其它邏輯電路加電。

　　2、LTC3558封裝、內部結構及引腳功能

　　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含有一個線性USB電池充電器、一個電流模式降壓（buck）開關穩壓器和一個電壓模式降壓-升壓（buck-boost）開關穩壓器，其內部電路組成框圖如圖２所示。

圖2  LTC3558內部電路

　　LTC3558各個引腳功能簡述如表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Vcc降落到電池電壓VBAT的50mV之內時，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可以編程滿標度（full-scale）充電電流（即在恒流模式充電電流的100%），計算公式為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，對應于用滿標度電流充電；若引腳HPWR為低電平，VPROG則為0.2V，相應的充電電流為滿標度電流（C）的20%（即0.2C）。

　　3.1.4  充電時序

　　在充電周期開始時，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，充電器則自動進行涓流充電，充電電流為滿標度電流的10%（即0.1C）。如果電池電壓在2.9V以下持續時間達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VBAT>4.105V時，充電器的充電電流將大大減小，則進入恒壓充電模式。如果IC內部4h的安全定時器期滿，電池充電將停止。如果電池電壓VBAT降至4.105V以下，充電器將自動開始重新充電。

　　在充電過程中，如果芯片溫度約達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、電池無反應和電池溫度超出范圍四種可能狀態中的一種。比較簡單的方法是利用LED作為指示器，將其串聯一個限流電阻連接在IC引腳 與Vcc之間。

　　當充電開始后，IC引腳 為低電平，LED導通而被點亮，無閃爍現象發生。

　　當充電電流降至滿標度電流的10%（即0.1C）以下時，引腳 釋放，呈現高阻抗，LED熄滅。

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

　　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熱敏電阻測量電池溫度

　　電池充電時的溫度可利用NTC熱敏電阻來測量，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，應將其緊貼電池盒。RNTC在25℃時的電阻值R25=100kΩ，與偏置電阻RNOM值相等。IC引腳NTC內部較低溫度（冷態）門限為0.765Vcc，較高溫度（熱態）門限為0.349Vcc（此時阻值降低），使能門限為0.017Vcc。

　　設RNTC熱解扣點和冷解扣點時的電阻值分別是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。對于Vishay公司的NTHS0603N011-N1003F來說，當溫度升高其電阻值降至R25（100kΩ）的0.536倍（約54kΩ）時，相應的溫度約為40℃，充電器將暫停充電；當RNTC電阻值增加到R25的3.25倍（即325kΩ）時，對應的溫度是0℃，充電器也會中止充電。很顯然，只有當電池溫度高于0℃而低于40℃時，充電器才會充電。

　　如圖4所示，如果RNTC再加進一個偏置電阻R1，則可以將解扣點溫度改變。若冷和熱解扣點設置在0℃和45℃，根據Vishay公司提供的數據，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按以上計算結果選擇，當電池溫度升至45℃或降為0℃時，充電器都將暫停充電。

圖4  帶附加偏置電阻的NTC

3.2  降壓開關穩壓器

　　LTC3558的電流模式降壓開關穩壓器主要由PWM控制器、主開關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  降壓開關穩壓器電路

　　LTC3558還含有軟啟動、短路保護和減小輻射EM1的開關節點擺幅限制電路。

　　降壓穩壓器可以提供直到400mA的電流，最低輸出電壓為0.8V。降壓穩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，可以設置開關穩壓器的突發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，誤差放大器調節峰值電感器電流，以交付所需要的輸出功率。在輕載時，在每個脈沖上電感電流可以達到零（關斷同步整流器MIN），在不連續模式操作。在非常輕的負載下，降壓開關穩壓器將會自動跳過脈沖，以維持輸出電壓調節。在高占空因數（VOUT>PVIN1/2）時，電感電流可能會反向，致使降壓變換器開關連續。欲利用脈沖跳越模式，需使IC引腳MODE保持低電平。

　　3.2.2  突發模式（Burst Mode）

　　將IC引腳MODE拉至高電平，降壓變換器將在突發模式操作，自動在固定頻率PWM操作與滯后控制之間轉換。當輸出電容的充電電壓稍高于調節點時，降壓變換器則自動進入睡眠模式。在睡眠模式，開關穩壓器的大多數電路將切斷電源，因此在輕載時有著比脈沖跳躍模式更高的效率。

　　3.3  降壓-升壓開關穩壓器

　　LTC3558的降壓-升壓開關穩壓器在電壓模式和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。

　　當輸入電壓遠高于輸出電壓時，穩壓器工作在降壓模式；當輸入電壓遠低于輸出電壓時，穩壓器則在升壓模式操作。

　　3.3.1  PWM操作模式與突發模式操作

　　通過將IC引腳保持低電平，降壓-升壓變換器將進入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噪聲。

　　若將IC引腳MODE拉至高電平，穩壓器將進入突發模式。在較輕的負載下，在突發模式操作，輸出電流被限制在50mA。當輸出電容上的充電電壓稍高于調節點時，穩壓器則進入睡眠模式。在突發模式操作，能使開關損耗大大降低，易于滿足輕載效率標準要求。

　　3.3.2  環路補償

　　降壓-升壓開關穩壓器可以采用簡單的I型補償（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路的III型補償網絡，其傳輸函數為：

圖8  III型補償電路

　　式中，s為傳輸系數。

　　III型補償網絡可獲得較大的頻帶寬度，改善瞬態響應，減小啟動時VOUT2產生的過沖。對于3.3V的輸出，補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、實際應用電路

　　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操作

　　降壓開關穩壓器輸出為1.8V（@400mA），降壓-升壓開關穩壓器輸出為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分別設置在55℃和0℃。在IC引腳BAT上連接的1Ω的電阻和4.7μF的電容，可保證充電器穩定。

　　從墻上AC適配器加電的LTC3558應用電路如圖10所示。

圖10  從墻上適配器加電的應用電路

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

　　5、結束語

　　LTC3558是一種帶兩個高效開關穩壓器的USB充電器，它是為應用于小功率手持式設備而專門設計的。直達950mA的可編程充電電流可對單節鋰離子或聚合物電池充電，在充電過程中電池狀態被監視，4h的安全定時器期滿時控制充電器終止。利用NTC熱敏電阻來測量電池溫度并設置電池充電時的溫度范圍。LTC3558降壓和降壓-升壓開關穩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，為微控制器內核及其I/O、存儲器、磁盤驅動器或其它邏輯電路供電。