I2C集成功率器件的控制锂离子电源管理IC

便携式电子产品的设计人员面临的挑战是创建在一次电池充电的情况下无休止地运行所有功能的设备。虽然不可能完全应对这一挑战，但每一代电池至少都更接近这一目标。随着设备现在采用大型充满活力的触摸感应显示器、多核 CPU 和图形处理器，以及用于全球任何地方高速通信的各种无线调制解调器，高电池容量至关重要。电池制造商已经通过容量超过30瓦时的轻巧紧凑电池满足了需求。

虽然USB已成为设备互连，同步和数据交换的主要标准，但其供电能力并未跟上电池需求的步伐。USB 2.0 允许最大 2.5W 负载，而 USB 3.0 将限制扩展到 4.5W。即使具有完美的效率并且所有电力都直接流向电池，通过USB进行完整的充电周期也需要一夜之间，然后是一些时间。虽然USB不适合作为大容量电池的主要电源，但它仍然具有很大的价值，作为一种机会主义的电源，可以在可能的情况下充电，并在设备连接到传统计算机时防止电池耗尽。

两全其美

LTC®4155 是一款单片式开关电池充电器，可在紧凑的 PCB 占板面积内高效提供 3.5A 充电电流。图1显示了典型应用中所需的组件。2.25MHz 开关频率允许使用小型电感器和旁路电容器，以最大限度地减小整体 PCB 占板面积。

图1.我2C控制大功率电池充电器/USB电源管理器。

即使在多安培充电速率下，高效率（图 2）不仅对于优化利用可用输入功率至关重要，而且对于控制便携式设备内部的功耗也至关重要。在紧密封闭的空间中，高功耗和边际热性能的结合会使具有效率较低的充电解决方案的设备太热而无法舒适地握持。为了帮助保持冷却，LTC4155 的集成电源开关具有一个远低于 100mΩ 的导通电阻。

图2.开关稳压器效率。

虽然 LTC4155 的电源开关的尺寸能够处理比 USB 提供的电流更高的电流，但 LTC4155 仍然完全与 USB 兼容，以实现机会性充电。输入电流在内部自动测量，并限制在十六个I中的任何一个2C 用户可选值。在这些设置中，三个对应于 USB 2.0 的保证最大限值为 100mA 和 500mA，USB 3.0 的保证最大限值为 900mA。自动输入电流限制也可以与交流适配器或其他电源一起使用，方法是选择任何其他电流限制设置，最大可达 3A。

LTC4155 支持一个引脚可编程的上电接通默认输入电流。对于不需要USB兼容性的高功率应用，连接到CLPROG1引脚的单个电阻器可设置默认的上电输入电流。选择该电阻器以对应于最适合特定应用、预期电源能力等的初始电流限制。上电后，输入电流限值可在I下修改2C 控制到其他 16 种可用设置中的任何一种，最高可达 3A。

对于 USB 应用，可将 CLPROG1 和 CLPROG2 引脚连接在一起，以便对 LTC4155 进行编程，以强制执行 USB 电流限制规则。施加外部电源时，输入电流限值将默认为100mA。使用USB主机控制器成功枚举后，输入电流限制设置可以在I2C控制至500mA或900mA视情况而定。图3显示了系统负载和电池充电器的可用电流。请注意，开关稳压器的输出电流高于USB限制输入电流。如果系统检测到电源是交流适配器、专用 USB 充电器或其他非 USB 电源，则可以在 I 下增加输入电流限制设置2C 控制到任何其他设置，最高可达 3A。

图3.在电池放电前提供符合 USB 标准的负载电流。

无缝处理多个输入连接器

LTC4155 任选地接受来自两个电源的输入，从而解决了将电源从两个不同的物理连接器智能路由到产品的挑战。当两个输入源同时连接时，使用哪个源的决定基于用户可编程的优先级。只要每个输入电压都在有效工作范围内，就可以选择任何一个，而不必担心哪个电压高于另一个。例如，这允许 4.5V/2A 交流适配器优于 5V/500mA USB 端口。如果取消了USB连接，并且将5V/3A交流适配器连接到同一端口，则可以通过I修改输入源优先级2C 切换到新的更高电源。

LTC4155 支持独立的 I2C 可编程输入电流限值，适用于其两个电源输入中的每一个。当更高优先级的输入源断开连接时，充电可以不间断地继续，并自动降低到新的最大输入电流下限。系统微控制器无需立即注意。

根据为输入多路复用器选择的外部元件，如果需要应用，可以轻松实现高达 ±77V 的过压和反向保护。此外，LTC4155 能够利用额外的外部组件为 USB 连接器提供一个 USB 行驶中的 5V 限流电源。

广泛的可编程性和遥测功能，适用于高级充电算法

LTC4155 提供了连续 I2C 状态报告，允许系统软件全面了解输入电源的状态、故障条件、电池充电循环状态、电池温度和其他几个参数。

按键电荷参数可在 I 下更改2C 控制实现自定义充电算法。与基于微控制器或其他可编程充电算法不同，软件 I 下提供所有可能的 LTC4155 设置2C 控制对电池本质安全。浮动电压永远不能设置为高于4.2V或低于4.05V。类似地，电池充电电流可编程为 15 种可能设置之一，但软件可能永远不会通过选择与电池容量和最大充电速率相匹配的编程电阻将限值提高到设计人员设置的水平以上。

连续的电池温度数据可供系统软件使用，以动态调整系统或充电器行为，以管理极端操作角落。例如，浮动电压和/或充电电流可能会降低到I2C 控制可提高高环境温度下的电池安全裕度。同样，可以响应高温降低充电电流或总系统负载电流，以减少产品外壳内的额外热量。

与电池充电器可编程性的所有其他方面一样，LTC4155 实现了本质安全型充电解决方案，无需（或尽管）任何软件干预。当电池温度降至 0°C 以下或升至 40°C 以上时，电池充电始终暂停。 此外，当电池温度升至60°C以上时，可以选择产生故障中断。 图 4 示出了 LTC4155 电池温度数据转换器的传递函数，其中突出显示了自主充电器截止温度门限。

图4.LTC4155 电池温度数据转换器的传递函数，并突出显示了自主充电器切断温度门限。

电源路径瞬时接通操作

在大多数便携式产品直接连接到电池的传统电源架构中，没电的电池可能特别麻烦。当电池电压太低而系统无法运行时，即使在连接到输入电源几分钟后，产品也可能出现无响应，这可能会产生不必要的支持电话。当电池容量相对于可用充电电流非常大时（例如，具有大容量电池的USB供电系统），问题会进一步复杂化。

凌力尔特电源路径™LTC4155 等产品将系统电源轨与电池去耦，以实现瞬时接通操作，并解决由深度放电电池引起的两个最棘手的问题。

第一个问题是，当系统电源轨直接连接到电池时，充电电流和系统负载变得难以区分。当电池深度放电时，电池制造商建议大大降低初始充电电流，直到电池电压达到更安全的水平。该涓流充电电流必须设置为电池的安全水平，假设系统负载电流最小或没有系统负载电流。

其次，在直连电池系统中，如果系统在涓流充电期间运行，则用于电池的充电电流的很大一部分被分流到系统轨。由此降低的电池充电电流按比例延长了恢复时间。相当大的系统负载会导致电池净电流反转，从而进一步使电池放电。在此低电池电量条件下，由于系统电源轨上的电压不足，笔记本电脑可能无法响应用户。由于公共连接的电池和系统电源轨的可用功率降低，无响应的持续时间至少乘以 10 倍。

当电池深度放电时，LTC4155 向系统电源轨提供 3.5V 电压，以实现即时启动。随着电池电压在预充电阶段上升，LTC4155 可无缝且自动地转换到一种高效率模式，以加快充电速度并最大限度地减少热量产生。图5显示了系统电源轨可用的电压与电池电压的函数关系。

图5.V外电压与电池电压。

LTC4155 电池充电电流的设置独立于输入电流限值，以将电池充电电流约束与输入功率限制去耦。输入电流限值只能根据输入电源的限制进行编程。类似地，电池充电电流可以仅基于电池容量进行编程。LTC4155 始终执行输入电流限制，并在必要时优先于电池充电，从而优先于系统负载的电源。

面对非理想来源时坚固耐用

LTC4155 具有在输入电压开始下降到一个不可接受的水平时自动降低输入电流的功能。在高充电电流水平下，当通过尺寸过小的电线、尺寸过小的适配器、通过轻度腐蚀的连接器或通常设计范围之外的任意数量的条件进行连接时，可能会发生这种情况。

如果不进行干预，IC的输入电压将继续下降，最终降至欠压闭锁门限以下。然后IC关断，允许输入电压恢复并重新启动整个周期。LTC4155 充分利用了糟糕的情况。当输入电压降至 4.3V 时，LTC4155 可平稳地降低其输入功率所需的任何量，以防止输入电压进一步衰减。在这种模式下，输送到系统负载和电池的电流小于编程量，但如果允许输入电压振荡继续，则大于可用值。此外，LTC4155 还产生了一个 I2C 状态报告和可选的中断信号，用于提醒系统最终用户可能需要采取纠正或诊断措施以恢复最大充电电流能力。

结论

LTC4155 将高电流能力和效率与一个小的单片式 PCB 占板面积相结合，非常适合于电路板空间非常宝贵且热量和充电时间是敌人的大型锂电池的便携式设备。USB 兼容输入电流限制设置进一步扩展了多功能性，允许从无处不在但功耗较低的电源进行机会充电。广泛的遥测允许基于不断变化的环境或应用条件的自定义行为，而不会影响自主电池的安全性。尽管存在电池深度放电或电阻性尺寸过小的输入电源线等常见问题，仍可将不间断电源输送到系统电源轨。LTC4155 采用 28 引脚 4mm × 5mm QFN 封装。

审核编辑：郭婷