USB電源控制器/充電器可縮短設(shè)計(jì)時(shí)間和電池充電時(shí)間

可充電電池通常用于為便攜式通用串行總線 （USB） 設(shè)備（如 PDA 或 MP3 播放器）供電。USB本身可用于直接為設(shè)備供電或?yàn)殡姵爻潆姟TC4055 采用電源路徑?控制以無(wú)縫有效地將負(fù)載引導(dǎo)到首選電源;同時(shí)保持在指定的 USB 電流限制內(nèi);并用任何可用的剩余電流為電池充電。當(dāng)存在 USB 時(shí)，LTC4055 將 USB 電源直接連接至負(fù)載。當(dāng)同時(shí)存在 USB 和一個(gè)墻上適配器時(shí)，LTC4055 可配置為讓墻上適配器取代 USB 作為電源。這些與負(fù)載的直接連接轉(zhuǎn)化為更高的負(fù)載電壓和更高的效率。

USB 主機(jī)或有源集線器從其標(biāo)稱 500V 電源提供高達(dá) 5mA 的電流。在USB電源電壓（而不是電池電壓）下運(yùn)行負(fù)載的效率更高，意味著500mA USB預(yù)算中剩余更多的電流用于為電池充電。由于當(dāng)應(yīng)用程序連接到 USB 或墻上適配器時(shí)，電池不在電源路徑中，因此即使電池電量不足或沒(méi)電，應(yīng)用程序也可以供電。同樣的理由也適用于充滿電的電池。充滿電的電池在 USB 或外部電源斷開(kāi)之前不在電源路徑中，將保持充滿電狀態(tài)。圖 1 顯示了使用 LTC4055 可以實(shí)現(xiàn) USB 應(yīng)用中的 PowerPath 控制和電池充電是多么簡(jiǎn)單。

圖1.獨(dú)立的 USB 鋰離子電池充電器，具有從輸入到輸出和電池到輸出的 PowerPath 控制 — 配置為 500mA USB 電流限制和 500mA 最大充電電流。

電源路徑

讓我們看一下 PowerPath 控制如何減少充電時(shí)間。假設(shè)應(yīng)用程序負(fù)載是 DC/DC 轉(zhuǎn)換器。這種轉(zhuǎn)換器實(shí)際上是恒功率器件。DC/DC 轉(zhuǎn)換器的輸入電壓越高，電流消耗越低。在電流有限的USB應(yīng)用中，在盡可能高的輸入電壓下運(yùn)行轉(zhuǎn)換器是有意義的。這最大限度地減少了總線的電流消耗，從而為電池充電留出更多電流。

圖 2 將電源路徑中包含電池的拓?fù)渑c在不需要時(shí)將電池從電源路徑中切換出去的拓?fù)溥M(jìn)行了比較。圖2a顯示了直接連接到鋰離子電池的恒定0.5W負(fù)載。USB電流限制為500mA，標(biāo)稱電池電壓為3.85V。因此，為負(fù)載供電所需的電流為0.5W/3.85V = 130mA。剩下370mA（500mA – 130mA）為電池充電。圖2b顯示了一個(gè)0.5W恒定功率負(fù)載，通過(guò)一個(gè)檢測(cè)電阻直接連接到USB。負(fù)載電壓為4.98V，負(fù)載所需電流為100mA （0.5W/5V）。電池充電的剩余電流為400mA （500mA – 100mA），比電池處于電源路徑中的8mA提高了370%。

（a）. 沒(méi)有 PowerPath 控制。

（b）. 使用 PowerPath 控制。

圖2.與傳統(tǒng)方法相比，PowerPath 控制可增加可用的充電電流（并縮短充電時(shí)間）。在本例中，增加30mA （8%）。

LTC4055 具有一個(gè)內(nèi)部 200mΩ 電源開(kāi)關(guān)，當(dāng) USB 存在時(shí)，該開(kāi)關(guān)可將 USB 電源連接至負(fù)載。結(jié)果是負(fù)載在USB電壓下運(yùn)行，而不是電池的較低電壓。LTC4055 具有一種獨(dú)特的電流控制方案，可在變化的負(fù)載條件下為電池充電時(shí)保持 USB 電流限制。這種電流控制方案意味著隨著負(fù)載電流的降低，更多的電流可用于電池充電。圖 3 顯示了 LTC4055 的輸入和電池充電電流與圖 1 所示應(yīng)用的負(fù)載電流的函數(shù)關(guān)系圖。

圖3.輸入和電池電流與高功率模式下負(fù)載電流的函數(shù)關(guān)系，電流限制設(shè)置為 500mA （R中歐普羅格= 100kΩ），充電電流設(shè)置為≥ 500mA （R進(jìn)度≤ 100kΩ）。請(qǐng)注意，當(dāng)負(fù)載電流超過(guò)USB電流限制時(shí)，電池的充電電流變?yōu)樨?fù)。

LTC4055 的 PowerPath 的簡(jiǎn)化框圖如圖 4 所示。它由一個(gè)內(nèi)部電流受限的 200mΩ 電源開(kāi)關(guān)組成，該開(kāi)關(guān)從 LTC4055 的輸入端至輸出端。LTC4055 內(nèi)有兩個(gè)電池充電器路徑。第一個(gè)是從輸入到電池的輸入充電器，用于USB充電。另一個(gè)電池充電器路徑是從輸出到電池的輸出充電器，用于在檢測(cè)到外部適配器時(shí)為電池充電。

圖4.PowerPath 控件的簡(jiǎn)化框圖。

內(nèi)部理想二極管功能可防止負(fù)載電壓大于電池電壓時(shí)從負(fù)載反向傳導(dǎo)到電池。如果負(fù)載電流超過(guò)USB限值或電池是唯一的電源，則相同的理想二極管功能可提供從電池到負(fù)載的低正向壓降（典型值為55mV，100mA）。理想二極管與肖特基二極管的正向特性如圖5所示。

圖5.理想二極管和肖特基二極管正向電壓與電流的關(guān)系。

LTC4055 內(nèi)部提供了一個(gè)墻上適配器比較器，以檢測(cè)是否存在一個(gè)備用外部電源。當(dāng)檢測(cè)到墻上適配器時(shí)，比較器使能輸出電池充電器，并禁用從輸入到輸出的電源路徑和輸入電池充電器。當(dāng)存在墻上適配器時(shí)，該比較器對(duì)于防止從 LTC4055 的輸出反向傳導(dǎo)到輸入或 USB 非常重要。圖4顯示了使用肖特基電源將墻上適配器連接到輸出的過(guò)程。墻上適配器比較器的輸出還驅(qū)動(dòng)一個(gè)漏極開(kāi)路狀態(tài)引腳（ACPR）。該狀態(tài)引腳可用于使能一個(gè)外部功率 PMOS FET，以建立從墻上適配器到LTC4055 輸出的低阻抗連接，如圖 6 所示。

圖6.USB 電源控制和電池充電器應(yīng)用，帶有壁式適配器輸入，配置為在適配器存在時(shí)以 800mA 為電池充電。

可編程性

輸入電流限制和電池充電電流均可獨(dú)立編程。這允許根據(jù)應(yīng)用定制電流限制和充電電流。一個(gè)外部編程電阻 （RCLPROG） 設(shè)置 200mΩ 開(kāi)關(guān)的電流限值。電池充電器的恒流模式電流由外部編程電阻器（RPROG）也是如此。限流編程電阻還設(shè)置輸入充電器允許的最大電池充電電流，并且不影響輸出充電器電流。這允許輸出充電器在外部適配器可用時(shí)設(shè)置為大于電流限制。

圖3顯示了輸入和電池電流與負(fù)載電流的函數(shù)關(guān)系。通過(guò)將電流限制編程電阻設(shè)置為500k，將充電電流編程電阻設(shè)置為100k或更小，將輸入電流限制設(shè)置為100mA。圖7顯示了電池編程為小于500mA的情況的輸入和電池充電電流。在這種情況下，通過(guò)將充電電流編程電阻設(shè)置為250k，電池充電電流被設(shè)置為200mA。

圖7.輸入和電池電流與高功率模式下負(fù)載電流的函數(shù)關(guān)系，電流限制設(shè)置為500mA，充電電流設(shè)置為250mA （R中歐普羅格= 100k， R進(jìn)度= 200k）。

USB兼容性

USB 規(guī)范提供兩種電源模式：高功率 （500mA） 和低功耗 （100mA）。LTC4055 上的 HPWR 引腳選擇電源模式。LTC4055 的電流限制應(yīng)針對(duì)高功率模式進(jìn)行配置，LTC4055 上的功率模式控制引腳 （HPWR） 控制電流限制是針對(duì)高功率還是低功率進(jìn)行設(shè)置。在低功耗模式下工作時(shí)（見(jiàn)圖8），電流限值設(shè)置為編程高功率電流限值的20%，最大充電電流設(shè)置為編程電流限值的16%。請(qǐng)注意，電流限制僅適用于來(lái)自 LTC4055 輸入端的電流。輸出充電器以編程的充電電流充電。

圖8.輸入和電池電流與低功耗模式下負(fù)載電流的函數(shù)關(guān)系，R中歐普羅格= 100k 和 R進(jìn)度= 100k，電流限值為100mA，充電電流為80mA。

USB 電源規(guī)范規(guī)定，高功率應(yīng)用必須在低至 4.5V 的電壓下工作，低功耗應(yīng)用必須在低至 4.35V 的電壓下工作。這些電壓包括接口電纜和連接器中的電阻壓降。這假設(shè)電纜和連接器完全符合 USB 標(biāo)準(zhǔn)。在電阻壓降超過(guò)USB規(guī)格預(yù)期的情形下，LTC4055 具有一種獨(dú)特的功能，使其能夠在這些條件下正常工作。欠壓充電電流限制功能可在輸入端電壓降至約4.4V以下時(shí)降低充電電流。這可以防止輸入下降太遠(yuǎn)并關(guān)閉充電器。電流突然關(guān)閉會(huì)導(dǎo)致電壓再次上升，重新啟用充電器。然后電壓下降，循環(huán)重復(fù)。欠壓充電電流限制功能通過(guò)調(diào)節(jié)充電電流來(lái)防止這種壓差振蕩，以保持約4.35V的恒定最小輸入電壓。

低功耗總線電流的 USB 規(guī)格是器件在掛起狀態(tài)下的電流為 500μA。LTC4055 專為允許應(yīng)用遵守此規(guī)格而設(shè)計(jì)。LTC4055 中集成了一個(gè)掛起模式引腳，該引腳可將總線電流減小至大約 100μA。這是通過(guò)關(guān)閉輸入充電和負(fù)載的輸入電源路徑來(lái)實(shí)現(xiàn)的。如果在此模式下沒(méi)有一個(gè)外部電源可用，則通過(guò) LTC4055 的理想二極管功能從電池獲取電源，應(yīng)用將保持活動(dòng)狀態(tài)。

熱調(diào)節(jié)

LTC4055 內(nèi)部的熱充電電流調(diào)節(jié)可保護(hù)器件和周圍電路免受過(guò)熱的影響，并允許用戶突破給定電路板的功率處理能力極限，而不會(huì)有損壞 LTC4055 的風(fēng)險(xiǎn)。如果管芯溫度試圖升至約105°C的預(yù)設(shè)值以上，內(nèi)部熱調(diào)節(jié)會(huì)降低編程充電電流。 LTC4055 熱調(diào)節(jié)的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是，對(duì)于給定應(yīng)用，充電電流可以根據(jù)典型（而非最壞情況）環(huán)境溫度進(jìn)行設(shè)置，同時(shí)確保充電器在最壞情況下將自動(dòng)減小電流。熱調(diào)節(jié)簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)，最大限度地提高了充電電流并防止過(guò)熱。

結(jié)論

LTC?4055 是一款完整的 PowerPath 控制器和鋰離子電池充電器，適用于便攜式 USB 應(yīng)用。LTC4055 專為從 USB 提供器件電源和鋰離子電池充電而設(shè)計(jì)，同時(shí)保持 USB 規(guī)范規(guī)定的電流限值。這是通過(guò)在輸出/負(fù)載電流增加時(shí)降低電池充電電流來(lái)實(shí)現(xiàn)的?？捎每偩€電流最大化，以最小化電池充電時(shí)間。

LTC4055 的多功能性、簡(jiǎn)單性、高集成度和小尺寸使其成為許多便攜式 USB 應(yīng)用的理想選擇。LTC4055 采用小型 16 引腳扁平 4mm × 4mm QFN 封裝。

審核編輯：郭婷