USB电源控制器/充电器可缩短设计时间和电池充电时间

可充电电池通常用于为便携式通用串行总线 （USB） 设备（如 PDA 或 MP3 播放器）供电。USB本身可用于直接为设备供电或为电池充电。LTC4055 采用电源路径™控制以无缝有效地将负载引导到首选电源;同时保持在指定的 USB 电流限制内;并用任何可用的剩余电流为电池充电。当存在 USB 时，LTC4055 将 USB 电源直接连接至负载。当同时存在 USB 和一个墙上适配器时，LTC4055 可配置为让墙上适配器取代 USB 作为电源。这些与负载的直接连接转化为更高的负载电压和更高的效率。

USB 主机或有源集线器从其标称 500V 电源提供高达 5mA 的电流。在USB电源电压（而不是电池电压）下运行负载的效率更高，意味着500mA USB预算中剩余更多的电流用于为电池充电。由于当应用程序连接到 USB 或墙上适配器时，电池不在电源路径中，因此即使电池电量不足或没电，应用程序也可以供电。同样的理由也适用于充满电的电池。充满电的电池在 USB 或外部电源断开之前不在电源路径中，将保持充满电状态。图 1 显示了使用 LTC4055 可以实现 USB 应用中的 PowerPath 控制和电池充电是多么简单。

图1.独立的 USB 锂离子电池充电器，具有从输入到输出和电池到输出的 PowerPath 控制 — 配置为 500mA USB 电流限制和 500mA 最大充电电流。

电源路径

让我们看一下 PowerPath 控制如何减少充电时间。假设应用程序负载是 DC/DC 转换器。这种转换器实际上是恒功率器件。DC/DC 转换器的输入电压越高，电流消耗越低。在电流有限的USB应用中，在尽可能高的输入电压下运行转换器是有意义的。这最大限度地减少了总线的电流消耗，从而为电池充电留出更多电流。

图 2 将电源路径中包含电池的拓扑与在不需要时将电池从电源路径中切换出去的拓扑进行了比较。图2a显示了直接连接到锂离子电池的恒定0.5W负载。USB电流限制为500mA，标称电池电压为3.85V。因此，为负载供电所需的电流为0.5W/3.85V = 130mA。剩下370mA（500mA – 130mA）为电池充电。图2b显示了一个0.5W恒定功率负载，通过一个检测电阻直接连接到USB。负载电压为4.98V，负载所需电流为100mA （0.5W/5V）。电池充电的剩余电流为400mA （500mA – 100mA），比电池处于电源路径中的8mA提高了370%。

（a）. 没有 PowerPath 控制。

（b）. 使用 PowerPath 控制。

图2.与传统方法相比，PowerPath 控制可增加可用的充电电流（并缩短充电时间）。在本例中，增加30mA （8%）。

LTC4055 具有一个内部 200mΩ 电源开关，当 USB 存在时，该开关可将 USB 电源连接至负载。结果是负载在USB电压下运行，而不是电池的较低电压。LTC4055 具有一种独特的电流控制方案，可在变化的负载条件下为电池充电时保持 USB 电流限制。这种电流控制方案意味着随着负载电流的降低，更多的电流可用于电池充电。图 3 显示了 LTC4055 的输入和电池充电电流与图 1 所示应用的负载电流的函数关系图。

图3.输入和电池电流与高功率模式下负载电流的函数关系，电流限制设置为 500mA （R中欧普罗格= 100kΩ），充电电流设置为≥ 500mA （R进度≤ 100kΩ）。请注意，当负载电流超过USB电流限制时，电池的充电电流变为负。

LTC4055 的 PowerPath 的简化框图如图 4 所示。它由一个内部电流受限的 200mΩ 电源开关组成，该开关从 LTC4055 的输入端至输出端。LTC4055 内有两个电池充电器路径。第一个是从输入到电池的输入充电器，用于USB充电。另一个电池充电器路径是从输出到电池的输出充电器，用于在检测到外部适配器时为电池充电。

图4.PowerPath 控件的简化框图。

内部理想二极管功能可防止负载电压大于电池电压时从负载反向传导到电池。如果负载电流超过USB限值或电池是唯一的电源，则相同的理想二极管功能可提供从电池到负载的低正向压降（典型值为55mV，100mA）。理想二极管与肖特基二极管的正向特性如图5所示。

图5.理想二极管和肖特基二极管正向电压与电流的关系。

LTC4055 内部提供了一个墙上适配器比较器，以检测是否存在一个备用外部电源。当检测到墙上适配器时，比较器使能输出电池充电器，并禁用从输入到输出的电源路径和输入电池充电器。当存在墙上适配器时，该比较器对于防止从 LTC4055 的输出反向传导到输入或 USB 非常重要。图4显示了使用肖特基电源将墙上适配器连接到输出的过程。墙上适配器比较器的输出还驱动一个漏极开路状态引脚（ACPR）。该状态引脚可用于使能一个外部功率 PMOS FET，以建立从墙上适配器到LTC4055 输出的低阻抗连接，如图 6 所示。

图6.USB 电源控制和电池充电器应用，带有壁式适配器输入，配置为在适配器存在时以 800mA 为电池充电。

可编程性

输入电流限制和电池充电电流均可独立编程。这允许根据应用定制电流限制和充电电流。一个外部编程电阻 （RCLPROG） 设置 200mΩ 开关的电流限值。电池充电器的恒流模式电流由外部编程电阻器（RPROG）也是如此。限流编程电阻还设置输入充电器允许的最大电池充电电流，并且不影响输出充电器电流。这允许输出充电器在外部适配器可用时设置为大于电流限制。

图3显示了输入和电池电流与负载电流的函数关系。通过将电流限制编程电阻设置为500k，将充电电流编程电阻设置为100k或更小，将输入电流限制设置为100mA。图7显示了电池编程为小于500mA的情况的输入和电池充电电流。在这种情况下，通过将充电电流编程电阻设置为250k，电池充电电流被设置为200mA。

图7.输入和电池电流与高功率模式下负载电流的函数关系，电流限制设置为500mA，充电电流设置为250mA （R中欧普罗格= 100k， R进度= 200k）。

USB兼容性

USB 规范提供两种电源模式：高功率 （500mA） 和低功耗 （100mA）。LTC4055 上的 HPWR 引脚选择电源模式。LTC4055 的电流限制应针对高功率模式进行配置，LTC4055 上的功率模式控制引脚 （HPWR） 控制电流限制是针对高功率还是低功率进行设置。在低功耗模式下工作时（见图8），电流限值设置为编程高功率电流限值的20%，最大充电电流设置为编程电流限值的16%。请注意，电流限制仅适用于来自 LTC4055 输入端的电流。输出充电器以编程的充电电流充电。

图8.输入和电池电流与低功耗模式下负载电流的函数关系，R中欧普罗格= 100k 和 R进度= 100k，电流限值为100mA，充电电流为80mA。

USB 电源规范规定，高功率应用必须在低至 4.5V 的电压下工作，低功耗应用必须在低至 4.35V 的电压下工作。这些电压包括接口电缆和连接器中的电阻压降。这假设电缆和连接器完全符合 USB 标准。在电阻压降超过USB规格预期的情形下，LTC4055 具有一种独特的功能，使其能够在这些条件下正常工作。欠压充电电流限制功能可在输入端电压降至约4.4V以下时降低充电电流。这可以防止输入下降太远并关闭充电器。电流突然关闭会导致电压再次上升，重新启用充电器。然后电压下降，循环重复。欠压充电电流限制功能通过调节充电电流来防止这种压差振荡，以保持约4.35V的恒定最小输入电压。

低功耗总线电流的 USB 规格是器件在挂起状态下的电流为 500μA。LTC4055 专为允许应用遵守此规格而设计。LTC4055 中集成了一个挂起模式引脚，该引脚可将总线电流减小至大约 100μA。这是通过关闭输入充电和负载的输入电源路径来实现的。如果在此模式下没有一个外部电源可用，则通过 LTC4055 的理想二极管功能从电池获取电源，应用将保持活动状态。

热调节

LTC4055 内部的热充电电流调节可保护器件和周围电路免受过热的影响，并允许用户突破给定电路板的功率处理能力极限，而不会有损坏 LTC4055 的风险。如果管芯温度试图升至约105°C的预设值以上，内部热调节会降低编程充电电流。 LTC4055 热调节的另一个优点是，对于给定应用，充电电流可以根据典型（而非最坏情况）环境温度进行设置，同时确保充电器在最坏情况下将自动减小电流。热调节简化了设计，最大限度地提高了充电电流并防止过热。

结论

LTC®4055 是一款完整的 PowerPath 控制器和锂离子电池充电器，适用于便携式 USB 应用。LTC4055 专为从 USB 提供器件电源和锂离子电池充电而设计，同时保持 USB 规范规定的电流限值。这是通过在输出/负载电流增加时降低电池充电电流来实现的。可用总线电流最大化，以最小化电池充电时间。

LTC4055 的多功能性、简单性、高集成度和小尺寸使其成为许多便携式 USB 应用的理想选择。LTC4055 采用小型 16 引脚扁平 4mm × 4mm QFN 封装。

审核编辑：郭婷