解析 LTC3553-2：高度集成的 USB 電源管理器與電池充電器

在電子設備的設計中，電源管理和電池充電是至關重要的環(huán)節(jié)，直接影響著設備的性能與續(xù)航。今天我們要深入探討的是 Linear Technology 推出的 LTC3553-2，一款專為單節(jié)鋰離子/聚合物電池應用打造的超微功耗、高度集成的電源管理和電池充電器 IC。

文件下載：LTC3553-2.pdf

核心特性

超低功耗待機模式

在所有輸出均開啟的待機模式下，LTC3553-2 的靜態(tài)電流僅為 12μA，這一特性對于追求長續(xù)航的便攜式設備而言意義重大。超低的功耗意味著電池的能耗大幅降低，從而延長了設備的使用時間。

無縫電源切換

它能夠在鋰離子/聚合物電池和 USB 這兩種輸入電源之間實現無縫切換，采用 240mΩ 的內部理想二極管，有效降低了 PowerPath? 的損耗。這不僅保證了設備在不同電源之間切換時的穩(wěn)定性，還減少了能量的損耗。

高性能電源轉換

• 高效降壓調節(jié)器：配備 200mA 的高效降壓調節(jié)器，能夠為系統提供穩(wěn)定而高效的電源轉換，滿足了對電源要求較高的功能模塊的用電需求。
• 始終開啟的低壓差線性穩(wěn)壓器：擁有始終開啟的 150mA 低壓差（LDO）線性穩(wěn)壓器，為系統提供穩(wěn)定的輸出電壓，確保了設備在各種工作狀態(tài)下都能穩(wěn)定運行。

豐富的功能特性

• 按鍵控制與系統復位：支持按鍵開/關控制，并具備系統復位功能，方便用戶對設備進行操作和管理。
• 全功能電池充電器：具備全功能的鋰離子/聚合物電池充電器，可實現可編程充電電流，并帶有熱限制功能，有效保護電池安全。
• 即時啟動操作：即使電池處于放電狀態(tài)，也能實現即時啟動操作，讓用戶無需等待電池充電即可使用設備。

電氣參數

電源管理相關參數

降壓調節(jié)器參數

降壓調節(jié)器的輸入電源電壓范圍為 2.7 - 5.5V，振蕩器頻率為 0.955 - 1.295MHz。在正常工作模式下，峰值 PMOS 電流限制為 300 - 650mA；在待機模式下，反饋電壓閾值為 770 - 820mV，短路電流為 30 - 100mA。

低壓差線性穩(wěn)壓器參數

LDO 輸入電壓范圍為 1.65 - 5.5V，輸出欠壓鎖定閾值在輸出電壓下降和上升時有所不同。調節(jié)反饋電壓為 780 - 820mV，可提供的輸出電流為 150mA，短路輸出電流為 300mA。

按鍵接口參數

按鍵操作電源范圍為 2.7 - 5.5V，ON 閾值上升和下降分別為 0.4 - 1.2V。狀態(tài)輸出引腳 PBSTAT 和 PGOOD 具有相應的輸出高泄漏電流和輸出低電壓。

典型應用場景

USB 手持設備

在基于 USB 的手持產品中，LTC3553-2 的低功耗特性和高效電源轉換能力能夠有效延長設備的續(xù)航時間，同時其無縫電源切換功能確保了設備在連接 USB 充電和使用電池供電時的穩(wěn)定運行。

便攜式電子設備

對于以鋰離子/聚合物電池為電源的便攜式電子設備，如智能手表、無線耳機等，LTC3553-2 的全功能電池充電器和穩(wěn)定的電源輸出能夠為設備提供可靠的電源支持，保證設備的正常工作。

可穿戴電子產品

在可穿戴電子產品領域，對設備的體積和功耗要求極高。LTC3553-2 的 3mm × 3mm × 0.75mm 20 引腳 QFN 封裝滿足了小型化的需求，而超低的靜態(tài)電流則有助于延長設備的續(xù)航時間，為用戶帶來更好的使用體驗。

低功耗醫(yī)療設備

低功耗醫(yī)療設備對電源的穩(wěn)定性和安全性要求嚴格。LTC3553-2 的熱限制功能和電池充電保護機制能夠確保電池的安全充電，同時穩(wěn)定的電源輸出為醫(yī)療設備的精確運行提供了保障。

工作原理

電源路徑控制器

電源路徑控制器專為 USB 應用設計，具備精確的輸入電流限制功能。它與電池充電器協同工作，確保輸入電流始終符合 USB 規(guī)范。當負載不超過編程的輸入電流限制時，VOUT 通過內部 350mΩ P 溝道 MOSFET 連接到 VBUS；當負載超過限制時，電池充電器會自動降低充電電流，以滿足外部負載需求，同時維持輸入電流在設定范圍內。

理想二極管

從 BAT 到 VOUT 的內部理想二極管能夠快速響應 VOUT 低于 BAT 的情況。當負載增加超過輸入電流限制或 VBUS 電源移除時，電池會通過理想二極管為設備提供額外的電流，確保 VOUT 不會顯著下降。

暫停模式

當 SUSP 引腳拉高時，LTC3553-2 進入暫停模式，此時 VBUS 和 VOUT 之間的電源路徑處于高阻抗狀態(tài)，VBUS 輸入電流降至 15μA，系統負載由電池通過理想二極管供電，以滿足 USB 規(guī)范。

電池充電器

電池充電器采用恒流/恒壓充電模式，具備自動充電、安全定時器自動終止、低電壓涓流充電、壞電池檢測和熱敏電阻傳感器輸入等功能。在充電過程中，會根據電池電壓自動調整充電模式。當電池電壓低于 2.9V 時，采用涓流充電；當電池電壓高于 2.9V 時，進入全功率恒流充電模式。充電電流通過連接在 PROG 引腳到地的單個電阻進行編程，計算公式為 (I{CHG}=frac{750 V}{R{PROG }})。

降壓調節(jié)器

降壓調節(jié)器是一個恒定頻率電流模式的 200mA 降壓調節(jié)器。在輕負載時，它會自動進入 Burst Mode 操作以保持高效率。此外，它還具備待機模式，在該模式下，BVIN 靜態(tài)電流可降至 1.5μA，但負載能力降至 10mA。輸出電壓通過連接在反饋引腳（BUCKFB）的電阻分壓器進行編程，公式為 (V{BUCK }=0.8 V cdotleft(frac{R 1}{R 2}+1right))。

始終開啟的低壓差線性穩(wěn)壓器

LDO 調節(jié)器支持高達 150mA 的負載，通過將 LDOFB 反饋引腳電壓調節(jié)到 0.8V 來驅動輸出。輸出電壓通過連接在輸出引腳、反饋引腳和地之間的電阻分壓器進行編程，公式為 (V{LDO}=0.8 V cdotleft(frac{R 1}{R 2}+1right))。為確保穩(wěn)定性，LDO 輸出必須通過至少 1μF 的陶瓷電容器接地。

按鍵接口

按鍵接口通過一個狀態(tài)機來控制設備的電源狀態(tài)。在不同的狀態(tài)下，按鍵的操作會觸發(fā)不同的電源狀態(tài)轉換，如從硬復位狀態(tài)進入上電狀態(tài)、從電源開啟狀態(tài)進入下電狀態(tài)等。同時，PBSTAT 引腳輸出經過去抖處理的按鍵信號，方便與外部微處理器進行交互。

設計注意事項

布局和散熱

• 散熱設計：為確保 LTC3553-2 在各種條件下都能提供最大充電電流，必須將其背面的裸露焊盤焊接到電路板的接地平面上。正確焊接到雙面 1oz 銅板的 2500mm2接地平面時，熱阻約為 70°C/W。若散熱不良，熱阻會大幅增加，影響芯片性能。
• 電路板布局：在進行電路板布局時，要遵循一系列原則。例如，將調節(jié)器輸入電源引腳（BVIN 和 VINLDO）及其去耦電容器的連接走線盡量縮短，減少電感；將開關電源走線（SW 引腳到電感）最小化，降低輻射 EMI 和寄生耦合；保持反饋引腳走線（BUCK_FB 和 LDO_FB）盡量短，減少寄生電容等。

電池充電器穩(wěn)定性

電池充電器包含恒壓和恒流控制回路。在連接電池時，若使用低阻抗導線，則恒壓回路無需補償即可穩(wěn)定。但導線過長可能會引入串聯電感，此時需要在 BAT 到 GND 之間添加至少 1μF 的旁路電容器。此外，若允許在電池斷開的情況下操作，還需要在 BAT 到 GND 之間串聯一個 100μF 1210 陶瓷電容器和 0.3Ω 電阻，以降低紋波電壓。

電感和電容選擇

• 電感選擇：電感的選擇應根據所需的輸出電壓進行。一般來說，較大值的電感可以降低紋波電流，提高輸出紋波電壓；較小值的電感則可以提高瞬態(tài)響應時間，但會降低可用輸出電流。同時，要選擇直流電阻較低的電感以提高效率，并且電感的直流電流額定值應至少為最大負載電流的 1.5 倍，以防止電感在正常工作時飽和。
• 電容選擇：降壓輸出和輸入電源應使用低 ESR（等效串聯電阻）的陶瓷電容器，且建議使用 X5R 或 X7R 陶瓷電容器，因為它們在更寬的電壓和溫度范圍內能保持電容值穩(wěn)定。為了保證良好的瞬態(tài)響應和穩(wěn)定性，輸出電容器在工作溫度和偏置電壓下應至少保留 4μF 的電容值。

綜上所述，LTC3553-2 以其豐富的功能、出色的性能和高度的集成性，為 USB 供電的便攜式設備提供了全面而可靠的電源解決方案。無論是從其核心特性、電氣參數，還是工作原理和設計注意事項來看，都展現出了卓越的品質和實用性。在實際應用中，電子工程師需要根據具體的設計需求，合理運用這些特性，充分發(fā)揮 LTC3553-2 的優(yōu)勢，為設備的穩(wěn)定運行和高性能表現提供有力支持。你在使用類似電源管理芯片時遇到過哪些問題呢？歡迎在評論區(qū)留言分享。