LTC4126-10：低功耗无线锂电池充电解决方案

在当今的电子设备中，无线充电技术越来越受到关注，特别是对于一些小型、低功耗的设备，如助听器、无线耳机和物联网可穿戴设备等。LTC4126-10 作为一款低功耗无线单节锂离子电池充电器，集成了降压 DC/DC 调节器，为这些设备提供了一个高效、紧凑的充电解决方案。

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一、产品概述

LTC4126-10 是一款专为无线充电设计的低功耗电池充电器，集成了降压 DC/DC 转换器，能够为单节锂离子电池进行无线充电，并提供 1.2V 的输出，适合为助听器 ASIC 供电。该产品具有以下主要特点：

1. 无线充电功能：支持 DC 至 >10MHz 的宽带 Rx 频率，可通过外部 LC 谐振电路无线接收能量。
2. 集成整流器：带有过压限制功能，确保充电过程的安全性。
3. 可选择的充电电压：通过引脚可选择 4.1V 或 4.2V 的充电电压。
4. 固定充电电流：充电电流固定为 10mA，确保电池充电的稳定性。
5. 低电池断开功能：当电池电压低于 3.0V 时，自动断开电池与负载的连接，保护电池。
6. 温度监测功能：通过 NTC 引脚监测电池温度，确保在安全温度范围内充电。
7. 降压 DC/DC 调节器：提供 1.2V 的稳定输出，最大输出电流可达 60mA。
8. 低噪音开关频率：开关频率设置为 50kHz 或 75kHz，避免产生可听噪音。
9. 多种控制方式：支持按钮和数字开/关控制 DC/DC 转换器。
10. 小型封装：采用 12 引脚 2mm × 2mm LQFN 封装，适合小型设备应用。

二、工作原理

2.1 AC 电源控制器

LTC4126-10 位于无线充电系统的接收端，通过连接到 ACIN 引脚的外部并联谐振 LC 谐振电路，从发射线圈产生的交变磁场中无线接收能量。整流和输入功率控制电路将 ACIN 引脚的交流电压整流，并将整流后的电压调节到 (V{CC}) 引脚，使其低于 (V{CC(HIGH)})（典型值为 5.5V）。此外，该产品也可以通过直接连接 DC 电压源到 (V_{CC}) 引脚来供电，此时需将 ACIN 引脚接地。

2.2 电池充电器

LTC4126-10 包含一个全功能的恒流/恒压线性电池充电器，具有自动充电、安全定时器自动终止、坏电池检测和温度范围外充电暂停等功能。充电电流内部固定为 10mA，最终充电电压可通过 (V_{SEL}) 引脚选择 4.2V 或 4.1V。

• 充电过程：当 (V{CC}) 引脚电压比 BAT 引脚电压高 80mV（典型值）时，充电器开始尝试为电池充电，并启动一个 3 小时的充电终止定时器。当 (V{CC}) - BAT 差分电压高于 150mV（典型值）时，充电器进入恒流模式，以 10mA 的额定电流为电池充电。当 BAT 引脚接近最终充电电压时，充电器进入恒压模式，充电电流开始下降。
• 自动充电：充电终止后，如果电池电压下降到 (V_{RECHRG})（典型值为充电电压的 97.5%）以下，充电器将自动开始新的充电周期。
• 坏电池故障：如果在 3 小时的完整充电周期结束后，电池电压未能达到 (V_{RECHRG}) 以上，则认为电池有故障，CHRG 引脚的 LED 将快速闪烁（典型值为 4.58Hz）来指示此故障。
• 差分欠压锁定（DUVLO）：差分欠压锁定电路监测 (V{CC}) 和 BAT 之间的差分电压，当 (V{CC}) 电压下降到 BAT 电压的 27mV（典型值 (Delta V_{UVLO})）以内时，禁用充电器。当差分电压增加到 80mV 时，充电器恢复充电。
• 差分欠压电流限制（DUVCL）：当 (V_{CC}) - BAT 差分电压从约 154mV 下降到 116mV 时，DUVCL 功能会逐渐将充电电流从 10mA 降低到零。当充电电流达到约 4.1mA 时，CHRG 引脚的 LED 快速闪烁以指示 DUVCL 故障；当充电电流达到约 6.0mA 时，LED 恢复慢速闪烁以指示正常操作。
• 温度合格充电：通过连接到 NTC 引脚的负温度系数（NTC）热敏电阻监测电池温度。如果电池温度超出安全充电范围，IC 将暂停充电，并通过 CHRG 引脚和 STAT 引脚发出故障信号，直到温度恢复到安全范围。

2.3 DC/DC 转换器

LTC4126-10 包含一个专有的低噪音多模式电荷泵 DC/DC 转换器，可通过向 EN 引脚施加低电压（最大 0.4V）或按下按钮来开启。该转换器可以与充电器同时工作，开关频率根据工作模式设置为 50kHz 或 75kHz，以避免产生可听噪音。

• 工作模式：根据电池电压，电荷泵 DC/DC 转换器有三种工作模式：
  • 模式 1（(V_{BAT}>3.6V)）：电荷泵工作在 3:1 降压模式，提供稳定的 1.2V 输出，最大输出电流约为 65mA。
  • 模式 2（3.6V > (V_{BAT}) > 3.3V）：电荷泵仍工作在 3:1 降压模式，但无法维持 1.2V 调节，输出电压为电池电压的三分之一（仅在无负载时）。
  • 模式 3（(V_{BAT}<3.3V)）：电荷泵切换到 2:1 降压模式，再次提供稳定的 1.2V 输出，最大输出电流随电池电压下降，但不低于约 35mA。
• 处理大负载：在模式 1 或模式 2 下，如果输出端的大负载导致输出电压下降到 1.05V 以下，转换器将自动切换到模式 3，并尝试将输出调节到 1.2V。转换器将在模式 3 下保持 1.7s（典型值），然后返回之前的模式。
• 转换器效率：DC/DC 转换器的效率在整个电池电压范围内变化，并且很大程度上取决于其工作模式。理论上，模式 1 的最大效率可达 85.7%（(V{BAT}=4.2V)）和 100%（(V{BAT}=3.6V)）；模式 3 的最大效率可达 72.7%（(V{BAT}=3.3V)）和 80%（(V{BAT}=3.0V)）。

三、应用信息

3.1 无线电力传输

在无线电力传输系统中，通过发射线圈中的交流电流产生交变磁场，当接收线圈放置在该磁场中时，会感应出交流电流。LTC4126-10 内部的二极管将 ACIN 引脚的交流电压整流。通过将 LC 谐振电路连接到 ACIN 引脚，并调谐到与发射线圈交流电流频率相同的频率，可以提高跨越气隙的电力传输范围。

3.2 接收器和单晶体管发射器

单晶体管发射器是一种 DC/AC 转换器，可用于驱动交流电流进入发射线圈。NMOS 晶体管 M1 由 LTC6990 振荡器产生的 50% 占空比方波驱动。通过设置发射 LC 谐振电路的频率为驱动频率的 1.29 倍，可以显著降低 M1 的开关损耗。接收器的 LC 谐振电路（(LRX) 和 (C_{RX})）应调谐到与发射 LC 谐振电路的驱动频率相同。

3.3 选择发射功率水平

发射功率应尽可能设置得低，以在最坏情况下的耦合条件下获得所需的输出功率。需要注意的是，虽然 LTC4126-10 能够分流多余的接收功率以维持 (V{CC}) 电压在所需范围内，但这可能会导致芯片温度升高，甚至可能影响电池温度。因此，在确定发射功率水平后，应在最佳耦合条件下检查芯片温度和 ACIN 引脚的最大负电压，确保 (V{CC}-V_{ACIN}) 不超过 16V。

3.4 组件选择

为了确保 LTC4126-10 的最佳性能，应选择具有良好品质因数的接收和发射线圈，以提高整体电力传输效率。在发射和接收 LC 谐振电路中，应使用低 ESR 和低热系数的电容器，如 C0G 陶瓷电容器。同时，应选择高灵敏度的 NTC 热敏电阻，并根据需要调整偏置电阻 (R{BIAS}) 和去敏电阻 (R{D}) 来设置热/冷温度阈值。

3.5 PCB 布局考虑

由于 LTC4126-10 封装的外露焊盘是唯一的接地引脚，并且是充电器和 DC/DC 转换器的回流路径，因此必须将其焊接到 PCB 接地层，以确保良好的电气连接。为了实现最佳的热性能，应在封装背面的外露焊盘下方设置一组过孔，直接连接到内部接地平面。同时，接地平面应尽可能靠近 PCB 的顶层，以减少寄生电感。

四、典型应用电路

文档中提供了几种典型的应用电路，包括全功能应用电路和最小组件数量应用电路。这些电路展示了如何使用 LTC4126-10 进行无线充电设计，并提供了详细的组件选择和参数设置建议。

五、相关产品

文档还介绍了一些与 LTC4126-10 相关的产品，包括 LTC4120、LTC4123、LTC4125 等，这些产品在无线充电领域具有不同的特点和应用场景，可以根据具体需求进行选择。

LTC4126-10 是一款功能强大、性能优越的无线锂电池充电器，适用于各种低功耗设备的无线充电应用。通过合理的设计和组件选择，可以充分发挥其优势，为电子设备提供高效、可靠的充电解决方案。你在实际应用中是否遇到过类似产品的设计挑战呢？你又是如何解决的呢？欢迎在评论区分享你的经验。