節(jié)省空間的單芯片電源解決方案

LTC?3675 是一款節(jié)省空間的單芯片電源解決方案，適用于采用單節(jié)鋰離子電池運(yùn)行的多電源軌應(yīng)用。其 4mm × 7mm QFN 包含兩個(gè) 500mA 降壓穩(wěn)壓器、兩個(gè) 1A 降壓穩(wěn)壓器、一個(gè) 1A 升壓穩(wěn)壓器、一個(gè) 1A 降壓-升壓穩(wěn)壓器、一個(gè)能夠驅(qū)動(dòng)高達(dá) 25mA 雙 LED 串的升壓 LED 驅(qū)動(dòng)器，以及一個(gè)用于為內(nèi)務(wù)微處理器供電的始終接通的 25mA LDO。所有調(diào)節(jié)器均可通過 I 進(jìn)行控制2C. 圖 1 顯示了由單個(gè)鋰離子電池運(yùn)行的八軌解決方案。

圖1.鋰離子電池連接到八個(gè)電源軌，包括一個(gè)LED驅(qū)動(dòng)器，使用單個(gè)IC。

開關(guān)穩(wěn)壓器特性

LTC3675 中的所有穩(wěn)壓器都是內(nèi)部補(bǔ)償單片式同步穩(wěn)壓器。降壓穩(wěn)壓器和降壓-升壓穩(wěn)壓器可通過使能引腳或 I 使能2C，而升壓穩(wěn)壓器通過 I 使能2僅限 C。穩(wěn)壓器的反饋調(diào)節(jié)電壓可通過I2C 范圍為 425mV 至 800mV，步長為 25mV。

每個(gè)穩(wěn)壓器提供兩種輕負(fù)載操作模式。降壓穩(wěn)壓器提供突發(fā)模式操作以實(shí)現(xiàn)最高效率，并提供脈沖跳躍模式以實(shí)現(xiàn)更可預(yù)測的 EMI。升壓和降壓-升壓穩(wěn)壓器提供突發(fā)模式操作和 PWM 模式。每個(gè)穩(wěn)壓器的工作模式可通過 I 進(jìn)行編程2C.

調(diào)節(jié)器還具有 I2開關(guān)邊沿的 C 可編程壓擺率控制，其中快速開關(guān)可產(chǎn)生更高的效率，而慢速開關(guān)可改善 EMI 性能。

并聯(lián)降壓穩(wěn)壓器可提高負(fù)載電流能力

LTC3675 的任意兩個(gè)連續(xù)編號(hào)的降壓型穩(wěn)壓器可以并聯(lián)組合，以產(chǎn)生具有組合負(fù)載電流能力的單個(gè)穩(wěn)壓器輸出。例如，降壓穩(wěn)壓器1（能夠提供1A）和2（能夠提供1A）可以并聯(lián)，以產(chǎn)生能夠提供高達(dá)2A負(fù)載電流的單個(gè)降壓穩(wěn)壓器。類似地，降壓穩(wěn)壓器2和3可以并聯(lián)以構(gòu)成負(fù)載能力高達(dá)1.5A的單個(gè)降壓穩(wěn)壓器，降壓穩(wěn)壓器3和4可以并聯(lián)以構(gòu)成負(fù)載能力高達(dá)1A的單個(gè)降壓穩(wěn)壓器。

當(dāng)兩個(gè)降壓穩(wěn)壓器組合在一起時(shí)，編號(hào)較低的降壓穩(wěn)壓器用作主穩(wěn)壓器，并控制編號(hào)較高的從降壓穩(wěn)壓器的功率級(jí)。組合降壓穩(wěn)壓器的行為通過主穩(wěn)壓器（編號(hào)較低）進(jìn)行編程。要將降壓穩(wěn)壓器配置為從機(jī)，其反饋引腳必須連接到V在主穩(wěn)壓器和從降壓穩(wěn)壓器的開關(guān)節(jié)點(diǎn)短接至一個(gè)公共電感。從開關(guān)引腳到電感器的走線阻抗必須保持一致，以便在兩個(gè)功率級(jí)中獲得更好的電流分布。不相等的走線阻抗可能會(huì)影響組合降壓穩(wěn)壓器的負(fù)載能力。

圖2顯示了一個(gè)應(yīng)用，其中降壓穩(wěn)壓器1和2與降壓穩(wěn)壓器1作為主穩(wěn)壓器，降壓穩(wěn)壓器2作為從穩(wěn)壓器并聯(lián)。

圖2.并聯(lián)降壓穩(wěn)壓器1和2可提高負(fù)載電流能力。12V 輸出使用通常用于 LED 燈串的升壓產(chǎn)生。

LED 驅(qū)動(dòng)器特性

LED 驅(qū)動(dòng)器能夠驅(qū)動(dòng)兩個(gè) LED 串，每個(gè)串最多 10 個(gè) LED。LED驅(qū)動(dòng)器也可以配置為高壓升壓穩(wěn)壓器。

當(dāng)配置為雙串LED驅(qū)動(dòng)器時(shí)，LED1或LED2引腳上的較低電壓是調(diào)節(jié)點(diǎn)。在圖 1 中，LED_FS引腳上的 20k 電阻將 LED 滿量程電流設(shè)置為 25mA。在此電流水平下，兩個(gè) LED 串之間的匹配度優(yōu)于 1%。自動(dòng)漸變電路允許LED電流以用戶編程的速率改變電平。

對于要求LED在高于25mA的電流下偏置的應(yīng)用，可以通過I在程序寄存器中設(shè)置一個(gè)位，使編程電流加倍2C. 對于20k的LED_FS電阻，設(shè)置此位可設(shè)置50mA的滿量程電流。在此模式下使用時(shí)，輸出電壓限制為20V

配置為高壓升壓穩(wěn)壓器的LED驅(qū)動(dòng)器

LED 驅(qū)動(dòng)器可配置為使用 I 的高壓升壓穩(wěn)壓器2C 命令。LED_OV引腳充當(dāng)反饋引腳。高達(dá) 40V 的輸出電壓可利用外部電阻器進(jìn)行設(shè)置。在圖2中，LED驅(qū)動(dòng)器配置為升壓穩(wěn)壓器，提供12V輸出。為了保持穩(wěn)定性，平均電感電流不得超過750mA。對于 12V 輸出，可在整個(gè)輸入電壓范圍內(nèi)提供高達(dá) 150mA 的負(fù)載電流。

按鈕接口和順序上電

LTC3675 可采用 ONB 引腳上電或關(guān)斷。與ONB、RSTB和WAKE引腳相關(guān)的所有時(shí)序均由CT電容編程。在下面的討論中，假設(shè)CT電容為0.01μF。

穩(wěn)壓器可以使用按鈕接口和精密使能閾值按順序啟動(dòng)。當(dāng)所有穩(wěn)壓器均關(guān)斷時(shí)，使能引腳門限為650mV。一旦通過 I 使能穩(wěn)壓器2C或其使能引腳，其余使能引腳的門限精確設(shè)置為400mV。這允許良好控制的順序上電。

初始上電后，如果尚未使能穩(wěn)壓器，將ONB引腳保持低電平400ms會(huì)導(dǎo)致WAKE引腳變?yōu)楦唠娖轿迕腌?。WAKE引腳可以硬連接到使能引腳，以便為任何單個(gè)穩(wěn)壓器上電，然后其輸出可用于為另一個(gè)穩(wěn)壓器上電。以這種方式，LTC3675 可以按順序上電，如圖 3 所示。圖4顯示了降壓穩(wěn)壓器1、降壓穩(wěn)壓器2和降壓穩(wěn)壓器3的順序上電。在喚醒引腳變?yōu)榈碗娖街埃琁2必須編寫 C 命令以加強(qiáng)降壓 1 的啟用狀態(tài)。否則，當(dāng) WAKE 拉低時(shí)，降壓穩(wěn)壓器 1 關(guān)斷，導(dǎo)致降壓穩(wěn)壓器 2 和 3 也斷電。

圖3.具有穩(wěn)壓器啟動(dòng)排序功能的單串LED驅(qū)動(dòng)器。

圖4.四個(gè)降壓穩(wěn)壓器的順序啟動(dòng)。

如果 LTC3675 使能了一個(gè)或多個(gè)穩(wěn)壓器，則按住 ONB 引腳 <> 秒鐘會(huì)產(chǎn)生硬復(fù)位。硬復(fù)位會(huì)導(dǎo)致所有使能穩(wěn)壓器斷電一秒鐘。一秒鐘后，硬復(fù)位狀態(tài)退出，I2C 寄存器全部設(shè)置為其默認(rèn)狀態(tài)。也可以通過 I 使用 RESET_ALL 位生成硬復(fù)位2C 命令。

PBSTAT 引腳反映了 LTC3675 處于 ON 狀態(tài)后 ONB 引腳的狀態(tài)。在初始上電時(shí)，如果ONB引腳被拉低并且所有穩(wěn)壓器都關(guān)斷，則PBSTAT仍處于高阻抗?fàn)顟B(tài)。如果使能穩(wěn)壓器，ONB 變低至少 50 ms 將導(dǎo)致 PBSTAT 也變低。

I2C 特點(diǎn)

I2C 接口通過 11 個(gè)程序寄存器和 2 個(gè)狀態(tài)寄存器提供可編程性和狀態(tài)報(bào)告?？梢噪S時(shí)讀取這些寄存器的內(nèi)容，以確保正常運(yùn)行。

每個(gè)開關(guān)穩(wěn)壓器與單個(gè)程序寄存器相關(guān)聯(lián)，而LED驅(qū)動(dòng)器由兩個(gè)程序寄存器控制。UVOT程序寄存器用于選擇八個(gè)預(yù)設(shè)欠壓警告閾值和三個(gè)預(yù)設(shè)管芯溫度警告閾值之一。

I2C端口還用于在發(fā)生故障時(shí)復(fù)位 IRQB 引腳和鎖存狀態(tài)寄存器位。

錯(cuò)誤條件報(bào)告 — 使用 RSTB 作為開機(jī)復(fù)位

LTC3675 的 RSTB 和 IRQB 引腳在報(bào)告一個(gè)錯(cuò)誤情況時(shí)被拉低 — 否則它們將保持一種高阻抗?fàn)顟B(tài)。報(bào)告的誤差條件包括超出調(diào)節(jié)的輸出電壓、輸入欠壓和過熱警告。

每個(gè)穩(wěn)壓器都有一個(gè)內(nèi)部電源良好（PGOOD）信號(hào)，用于指示其輸出電壓的狀態(tài)。如果穩(wěn)壓器的輸出電壓使能且輸出電壓低于其編程值7.5%以上，則定義為不良。PGOOD位設(shè)置為零，表示輸出電壓不良。LED驅(qū)動(dòng)器PGOOD信號(hào)僅在配置為高壓升壓穩(wěn)壓器時(shí)使用。

如果被屏蔽，PGOOD位變低將把RSTB拉低。清除錯(cuò)誤條件后，RSTB 引腳返回到其高阻抗?fàn)顟B(tài)。用戶可以通過對RSTB掩碼寄存器進(jìn)行編程，有選擇地屏蔽將RSTB拉低的錯(cuò)誤條件。例如，如果升壓穩(wěn)壓器使能，但用戶不需要知道其輸出狀態(tài)，用戶可以對RSTB掩碼寄存器進(jìn)行編程，使升壓穩(wěn)壓器的不良輸出不會(huì)導(dǎo)致RSTB被拉低。

RSTB 引腳可用于實(shí)現(xiàn)上電復(fù)位功能。使能穩(wěn)壓器后，RSTB 引腳被拉低并保持低電平，直到輸出電壓高于其 PGOOD 門限 200ms。之后，RSTB 引腳返回到其高阻抗?fàn)顟B(tài)。上述示例假設(shè)RSTB掩碼寄存器內(nèi)容允許使能穩(wěn)壓器的PGOOD信號(hào)將RSTB引腳拉低。

當(dāng)產(chǎn)生錯(cuò)誤時(shí)，IRQB 引腳也會(huì)被拉低，即使錯(cuò)誤條件已得到糾正，IRQB 引腳也會(huì)保持低電平。IRQB 引腳使用 I 清除2C 命令。除了報(bào)告不良穩(wěn)壓器輸出電壓外，如果超過輸入欠壓或過熱警告門限，IRQB 也會(huì)被拉低。通過對 IRQB 掩碼寄存器進(jìn)行編程，可以選擇性地屏蔽導(dǎo)致 IRQB 被拉低的錯(cuò)誤條件。輸入欠壓警告和過熱警告條件無法屏蔽。

實(shí)時(shí)狀態(tài)和鎖存狀態(tài)寄存器中的數(shù)據(jù)揭示了故障的確切性質(zhì)。實(shí)時(shí)狀態(tài)寄存器中的錯(cuò)誤報(bào)告位的條件隨著錯(cuò)誤條件的變化而變化。當(dāng)發(fā)生未屏蔽的錯(cuò)誤情況時(shí)，鎖存器狀態(tài)寄存器信息將被鎖存 — 鎖存器的內(nèi)容在鎖存事件后不會(huì)更改。在 IRQB 清除命令期間清除鎖存器狀態(tài)寄存器的內(nèi)容。

輸入欠壓故障警告和關(guān)斷

LTC3675 能夠在低至 2.7V 的輸入電壓下工作。然而，在鋰離子一直放電到2.7V之前，其他器件可能需要關(guān)斷或進(jìn)入低功耗狀態(tài)。LTC3675 包括一個(gè)輸入欠壓警告信號(hào)，其門限通過 I 設(shè)定為 <> 個(gè)電平之一2C. 當(dāng)輸入電壓降至編程閾值電壓時(shí)，IRQB 引腳被拉低，表示存在故障?？梢宰x取狀態(tài)寄存器以確定故障并采取所需的任何糾正措施。

LTC3675 還包括一個(gè)輸入欠壓停機(jī)功能，如果輸入電源電壓降至 2.45V 以下，該停機(jī)功能將關(guān)斷所有使能穩(wěn)壓器。程序寄存器的內(nèi)容將重置為其默認(rèn)狀態(tài)。一旦輸入電壓增加到2.55V以上，工作就會(huì)恢復(fù)。

過熱故障警告和關(guān)斷

LTC3675 能夠在非常小的電路板空間內(nèi)提供超過 15W 的輸出功率。即使使用高效穩(wěn)壓器，綜合效率損失也會(huì)產(chǎn)生散熱，從而提高芯片溫度。為了保護(hù)芯片和其他組件，LTC3675 包括四個(gè) I2C 可選管芯溫度警告閾值。當(dāng)芯片溫度超過選定的警告門限時(shí)，IRQB 引腳拉低。如果出現(xiàn)警告，可以讀取狀態(tài)寄存器以確定故障。

如果管芯溫度超過150°C，則所有使能穩(wěn)壓器關(guān)斷，程序寄存器復(fù)位至默認(rèn)狀態(tài)。一旦芯片溫度降至135°C以下，操作就會(huì)恢復(fù)。

結(jié)論

LTC3675 非常適合于需要從單個(gè)鋰離子電池電源獲得多個(gè)電源軌的應(yīng)用。六個(gè)穩(wěn)壓器與一個(gè)雙串 LED 驅(qū)動(dòng)器相結(jié)合，使 LTC3675 在競爭電源管理解決方案中脫穎而出。我2C 可編程性和故障報(bào)告使系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員能夠通過高效的電池電源使用和主動(dòng)熱管理來最大限度地延長電池運(yùn)行時(shí)間。LTC3675 采用節(jié)省空間的 4mm × 7mm QFN 封裝。

審核編輯：郭婷