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縫轉換：單節(jié)鋰離子電池、USB 端口和 5V 墻上適配器。該器件包含兩個同步降壓 DC/DC 轉換器、一個 USB 電源控制器（可將 USB 電流精確限制為 500mA 或 100mA）、一個功能齊全的單節(jié)鋰離子電池充電器、一個 200mA 熱插拔?輸出、低電量指示器和眾多內部保護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應用的簡單性如圖2所示。本應用中DC/DC轉換器的效率如圖3所示。該器件可在內部處理重要的系統(tǒng)啟動和保護問題（軟啟動、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量。對于只需要電池和USB電源，無需5V墻上適配器的應用，該電路甚至更簡單（參見圖2中的注釋）。

圖2.LTC3455的典型應用。

圖3.直流/直流轉換器效率。

雙通道高效 DC/DC 轉換器

LTC3455 包含兩個 1.5MHz 恒定頻率電流模式開關穩(wěn)壓器，其工作效率高達 96%。開關穩(wěn)壓器 1 在 400.1V/5.1V 時提供高達 8mA 的電流 （為微控制器內核供電），開關穩(wěn)壓器 2 在 600.3V 時提供高達 3mA 的電流 （為微控制器 I/O、存儲器和其他邏輯電路供電）。當輸入電壓非常接近輸出電壓時，兩個轉換器都支持 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，以便在輕負載下實現最高效率（突發(fā)模式可通過引腳選擇）。切換臺 2 具有獨立的開/關控制，但僅在切換臺 1 也處于啟用狀態(tài)并處于穩(wěn)壓狀態(tài)時運行。如果在初始上電時兩者都使能，則切換臺 2 僅在切換臺 1 達到其編程值的 90% 后才會開啟。這種上電延遲可確保正確的電源排序，并降低啟動時的峰值電池電流。?

只要有外部電源，就會使能電池充電器和切換臺1（內核電源）。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狀態(tài)。切換臺 2 也可設置為在有外部電源時打開。此外，所有系統(tǒng)電源均來自適當的外部電源，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備之間傳輸數據和電源的有吸引力的選擇。在為電池充電的同時通過USB為便攜式設備供電的能力顯然是可取的（沒有壁式疣），但這不一定是一個簡單的設計問題。單個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備所需的峰值功率，即使不增加快速充電所需的功率。

更復雜的是，USB端口不是理想的電源。每個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），但提供給便攜式設備的電壓可能會有很大差異。盡管 USB 電源的標稱額定值為 5V，但當包括正常電源變化、電纜損耗和瞬態(tài)條件時，便攜式設備上顯示的 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的嚴格電流限制，這意味著便攜式設備可用的功率可以低至2W。當USB電壓本身可能低于4.2V時，當嘗試對單節(jié)鋰離子電池（最終充電電壓為4.2V）充滿電時，降低的USB電壓也會出現問題。

LTC3455 的 USB 電源控制器專為解決這些問題而設計，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 引腳電壓達到 3.9V，該器件就會消耗 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，充電電流會逐漸降低（最終在4.0V左右關斷），以幫助防止在使用長電阻式USB電纜時出現“顫振”和穩(wěn)定性問題。圖4顯示了USB電壓下降時充電電流的降低。

圖4.充電電流與 USB 電壓的關系。

內部 USB 電源控制器還自動調節(jié)電池充電電流，以幫助將系統(tǒng)總電流保持在嚴格的 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，但電池充電電流會降低，以試圖將總系統(tǒng)電流保持在嚴格的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小（切換器和所有其他外部設備都從 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外部電阻器設置。當電池接近最終浮動電壓時，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器終止，充電定時器使用單個外部電容器進行編程。USB 供電時最大充電電流為 500mA，墻上適配器供電時最大充電電流高達 1A。USB 電源控制器將自動節(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。當電池在充電周期開始時低于2.8V時，充電器進入涓流充電模式，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設值約105°C以上，內部熱限值會降低充電電流。 此功能不僅可以保護 LTC3455 免受過熱的影響，還可以縮短充電時間，因為它允許用戶設置一個更高的最大充電電流 — 同時考慮到給定應用的典型環(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減小電流。

熱插拔輸出

提供 200mA 熱插拔輸出，用于為安全數字 （SDIO） 卡、存儲卡和任何其他可熱插拔到系統(tǒng)的外部設備供電。如果直接熱插拔到其中一個切換臺輸出中，這些外部設備最初顯示為短路，可能會拖累輸出，從而導致重大系統(tǒng)問題。HSO 輸出只能在 LTC3455 接通時工作，并采用 HSON 引腳使能。對于不需要熱插拔的應用，該輸出可以簡單地用作200mA負載開關（由HSON引腳控制）。

低電量檢測器/LDO

LTC3455 包含一個額外的增益模塊 （引腳 AI 和 AO），該模塊可用作低電池電量指示器，或用作 LDO 并附加一個外部 PNP 或 PMOS。只要器件使能，該增益模塊就會激活，并在關斷期間關閉，以最大限度地減少電池消耗。在 LTC3455 導通之前，低電池電量檢測器不會報告低電池電量情況，但對于大多數應用來說，這不是問題，因為 LTC3455 無論如何都會為微控制器和系統(tǒng)中的所有其他智能供電。LDO 非常方便需要第三個輸出的應用，如 2.5V 或安靜的 3V 電源。

將 3.3V 輸出電流增加到 1.2A

在 900mA 的內部電流限值下，開關穩(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備的需求，但某些應用需要能夠提供3A以上電流的3.1V電源。圖 6 示出了如何利用 LTC3 實現一個較高電流的 3.3455V 輸出。通過增加一個纖巧的SOT-23 PMOS并將增益模塊用作LDO，3.3V輸出現在可提供1.2A的輸出電流。開關穩(wěn)壓器2的輸出電壓設置為3.3V，LDO的輸出電壓設置為3.2V（低3%）。只要負載電流足夠低，開關穩(wěn)壓器2能夠提供，LDO就會完全關斷。該電路非常適合在短時間內需要較高3.3V輸出電流的應用。開關穩(wěn)壓器2通常提供所有輸出電流，LDO將短暫導通以提供更高的負載電流。

圖6.LTC3455 應用采用 3.3V 輸出電流增加到 1.2A。

當負載電流超過切換器2所能提供的電流時，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步進至1.2A時的瞬態(tài)響應?？梢栽黾痈嗟妮敵?a href="http://www.ttokpm.com/tags/電容/" target="_blank">電容，以改善這些高電流負載階躍期間的3.3V瞬態(tài)響應。

圖7.負載電流階躍（0.5A至1.2A）用于3.3V輸出。

帶臨時備用電源的 USB 電源

雖然 LTC3455 主要設計用于鋰離子電池供電的便攜式應用，但對于始終由一個 USB 電源或墻上適配器供電的系統(tǒng)來說，它也是一個不錯的選擇。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間在主電源突然斷開時遵循適當的關斷程序。

圖 8 示出了一款使用 LTC500 的用于 USB 高功率應用 （3455mA 最大 USB 電流） 的獨立電源。系統(tǒng)總功率應保持在 1.8W 以下，以確保即使在最壞的 USB 條件下也能清潔運行。如圖所示的電阻值，當 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.帶臨時備用電源的獨立 USB 電源。

一個 4700μF 后備電容器連接到 V.BAT在卸下 USB 電源后，引腳會短暫地為系統(tǒng)供電，還有助于支持略高于 USB 電流限值的瞬態(tài)負載。將此大電容連接到 V.BAT引腳有幾個優(yōu)點。它提供了一個大型儲能器，該儲能器與 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防止大浪涌電流。定時器引腳連接到 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。

結論

LTC3455 簡化了便攜式應用的設計。它是一個完整的電源管理解決方案，集成了兩個降壓型 DC/DC 轉換器、一個 USB 電源控制器、一個全功能鋰離子電池充電器、一個熱插拔輸出和一個低電量指示器 — 所有這些都擠在一個微小的 4mm × 4mm QFN 中。

審核編輯：郭婷