LTC3552-1：单节锂离子电池充电与双路DC/DC转换的理想方案

在电子设备的设计中，电源管理一直是关键环节。今天，我们来介绍一款来自Linear Technology的高性能芯片——LTC3552-1，它在单节锂离子电池充电和双路DC/DC转换方面表现出色，特别适合便携式设备应用。

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一、功能与特性

充电功能

LTC3552-1的充电功能相当强大，可编程充电电流最高可达950mA。它内置了完整的线性充电器，无需额外的MOSFET、检测电阻或阻塞二极管，就能实现高效充电。其充电电压固定为4.2V，精度高达±1%，能有效保护电池安全。同时，它还具备热调节功能，可在不导致过热的情况下最大化充电速率，并且能直接从USB端口充电。此外，它还有可编程的充电电流终止功能、充电电流监测输出用于电量计量、自动再充电功能，以及充电状态输出和“电源存在”输出等实用功能。

DC/DC转换功能

该芯片还集成了双路DC/DC转换器，能提供双路固定输出电压，分别为1.8V（最大电流800mA）和1.575V（最大电流400mA）。采用同步降压开关调节器架构，开关频率固定为2.25MHz，允许使用小尺寸的表面贴装电感和电容，有助于减小电路板体积。

二、工作原理

锂离子电池充电器

正常充电周期

当VIN引脚电压高于欠压锁定（UVLO）阈值，且PROG引脚连接到地的1%编程电阻时，充电周期开始。充电器先进入恒流模式，向电池提供编程的充电电流。当BAT引脚电压接近最终浮充电压（4.2V）时，进入恒压模式，充电电流逐渐减小。当充电电流降至编程的终止阈值（由外部电阻RTERM设置）时，充电周期结束。

充电状态指示

CHRG引脚为开漏输出，用于指示充电状态。在充电过程中，该引脚被内部N沟道MOSFET拉低；充电结束或充电器禁用时，引脚变为高阻抗。

自动再充电

充电周期结束后，充电器会持续监测BAT引脚电压。当电池电压降至4.10V以下时，充电周期将自动重启，确保电池保持或接近充满状态。

电源状态指示

PWR引脚也是开漏输出，用于指示电源状态。当VIN高于UVLO阈值且比电池电压高100mV以上时，该引脚被拉低；否则，引脚为高阻抗，表示充电器无法为电池充电。

充电电流软启动

充电器内置软启动电路，在充电周期开始时，充电电流会在约100µs的时间内从0线性上升到满量程电流，可有效减小启动时的浪涌电流，降低对电源的瞬态电流负载。

热限制

内部热反馈回路可在芯片温度超过预设值（约120°C）时自动降低编程的充电电流，避免充电器过热损坏，保护芯片的同时也能根据实际环境温度灵活调整充电电流。

欠压锁定

内部欠压锁定电路会监测输入电压，当VIN低于欠压锁定阈值时，充电器将处于关机模式。该电路具有200mV的迟滞，可防止电源MOSFET中的反向电流。

手动关机

在充电周期的任何时刻，将EN引脚置为高电平可使充电器进入关机模式，此时电池放电电流小于2µA，VIN电源电流小于50µA。再次将EN引脚置为低电平可启动新的充电周期。

双路开关调节器

基本架构

采用电流模式架构，工作频率恒定为2.25MHz，两路调节器共享同一时钟并同相运行。输出电压固定，调节器1为1.8V，调节器2为1.575V。内部集成了电阻分压器反馈网络，误差放大器将分压后的输出电压（VFB）与0.6V参考电压进行比较，并相应调整电感峰值电流。

主调节器控制回路

在正常工作时，当VOUT反馈电压低于参考电压，时钟周期开始时顶部功率开关（P沟道MOSFET）导通，电流流入电感，负载电流增加，直至达到电流限制值，开关关闭。电感中存储的能量通过底部开关（N沟道MOSFET）流入负载，直到下一个时钟周期。峰值电感电流由内部补偿的ITH电压控制，该电压是误差放大器的输出。

低负载电流运行

当负载较轻时，调节器会自动切换到Burst Mode运行模式，PMOS开关根据负载需求间歇性工作，固定电感峰值电流。通过周期性运行，可最小化由功率MOSFET栅极电荷损耗主导的开关损耗。当输出电压达到所需的调节值时，主控制回路会中断。当ITH低于0.35V时，电压比较器触发，关闭开关以降低功耗；当ITH超过0.65V时，开关和主控制回路开启，开始新的周期。

降压运行

当VCC输入电源电压接近输出电压时，占空比将增加到100%，进入降压状态。此时，PMOS开关持续导通，输出电压等于输入电压减去内部P沟道MOSFET和电感上的电压降。需要注意的是，P沟道开关的RDS(ON)会随输入电源电压的降低而增加，因此在低输入电压下使用时，需计算功率损耗。

低电源电压运行

为防止不稳定运行，调节器内置欠压锁定电路，当VCC电压降至约1.65V以下时，调节器将关闭。

三、应用信息

典型应用电路

典型的LTC3552-1应用电路中，外部组件的选择取决于充电要求和开关调节器的负载要求。例如，充电电流通过连接PROG引脚到地的单个电阻进行编程，可根据公式(R{PROG }=frac{1000 V}{I{CHG}})和(I{CHG}=frac{1000 V}{R{PROG }})计算编程电阻和充电电流。充电终止则通过连接外部电阻RTERM从ITERM引脚到地来设置，终止电流阈值(I{TERM }=frac{100 V}{R{TERM }})。

组件选择

开关调节器电感选择

电感值直接影响电感纹波电流(Delta I{L})，其计算公式为(Delta I{L}=frac{V{OUT }}{f{0} cdot L}left(1-frac{V{OUT }}{V{C C}}right))。为保证纹波电流不超过指定最大值，可根据公式(L=frac{V{OUT }}{f{0} cdot Delta I{L}}left(1-frac{V{OUT }}{V_{C C(M A X)}}right))选择合适的电感值。同时，电感值还会影响Burst Mode运行，较低的电感值会导致纹波电流增大，在低负载电流时可能会使效率下降。

电感磁芯选择

不同的磁芯材料和形状会影响电感的尺寸、电流和价格关系。例如，铁氧体或坡莫合金材料的环形或屏蔽罐形磁芯体积小、辐射能量少，但成本通常高于具有相似电气特性的铁粉芯电感。实际选择时，需综合考虑价格、尺寸、辐射场和EMI等要求。

输入电容选择

在连续模式下，转换器的输入电流为具有约(V{OUT } / V{CC })占空比的方波。为防止大的电压瞬变，需使用低等效串联电阻（ESR）的输入电容，并根据公式(I{RMS } approx I{MAX } frac{sqrt{V{OUT }left(V{C C}-V{OUT }right)}}{V{C C}})选择合适的电容值。同时，建议在VCC上添加0.1µF - 1µF的陶瓷电容用于高频去耦。

输出电容选择

输出电容的选择主要考虑其ESR，以最小化纹波电压和负载阶跃瞬变。输出纹波(Delta V{OUT })由公式(Delta V{OUT } approx Delta I{L} cdot ESR{COUT})决定。在满足ESR要求后，电容值通常足以进行滤波。不同类型的电容（如铝电解电容、特殊聚合物电容、陶瓷电容和固体钽电容）具有不同的特性，需根据具体应用需求进行选择。

四、设计注意事项

效率考虑

开关调节器的效率等于输出功率除以输入功率再乘以100%。主要损耗源包括VCC静态电流、开关损耗、(I^{2} R)损耗和其他损耗。分析这些损耗有助于找出限制效率的因素，并采取相应措施提高效率。

热考虑

虽然LTC3552-1的电池充电器热调节功能和开关调节器的高效率使其不太可能超过最大结温，但在高温、低电源电压和高占空比的应用中，仍需进行热分析。可根据公式(T{RISE }=P{D} cdot theta{JA })和(T{J}=T{RISE }+T{AMBIENT })计算温度上升和结温。同时，为保证最大充电电流，需将芯片背面的裸露金属焊盘焊接到PCB接地层。

电池充电器稳定性考虑

在恒压模式下，只要电池连接到充电器输出，反馈回路就是稳定的。若没有电池，建议在BAT引脚添加输出电容以降低纹波电压。使用高值、低ESR的陶瓷电容时，建议串联一个1Ω电阻；使用钽电容则无需此操作。在恒流模式下，PROG引脚的阻抗会影响稳定性，若该引脚有额外电容，需根据公式(R{PROG } leq frac{1}{2 pi cdot 10^{5} cdot C{PROG }})计算最大电阻值。

电路板布局考虑

在进行电路板布局时，需注意以下几点：输入电容CIN应尽可能靠近电源VCC和GND（裸露焊盘）连接；反馈信号Vout应远离嘈杂组件和走线；COUT和L1应紧密连接；敏感组件应远离SW引脚；建议使用接地平面，若条件不允许，应将信号和电源接地隔离；未使用的区域应填充铜并连接到VCC或GND，以降低功率组件的温度上升。

五、典型应用案例

单节锂离子电池充电器加降压转换器

该应用为单节锂离子电池提供了全面的充电和电源转换解决方案。通过合理选择外部组件，可实现高效充电和稳定的双路电源输出，适用于各类便携式设备。

带有PowerPath™的锂离子充电器和降压转换器

这种应用在充电和供电过程中，能根据电源情况自动切换，确保电池充电和设备供电的稳定性，进一步提升了系统的可靠性和实用性。

综上所述，LTC3552-1是一款功能强大、性能优越的电源管理芯片，为电子工程师在设计单节锂离子电池供电设备时提供了可靠的解决方案。在实际应用中，我们需充分了解其特性和工作原理，合理选择外部组件，做好电路板布局和热管理等工作，以发挥其最大优势。你在使用LTC3552-1或类似芯片的过程中遇到过哪些问题呢？欢迎在评论区分享交流。