深入剖析LTC3553：多功能電源管理的理想之選

在電子設(shè)備的設(shè)計中，電源管理是至關(guān)重要的一環(huán)。一款優(yōu)秀的電源管理芯片能夠確保設(shè)備穩(wěn)定運(yùn)行、延長電池壽命并提高整體性能。今天，我們就來深入探討Linear Technology公司的LTC3553，這是一款專為單節(jié)Li - Ion/Polymer電池應(yīng)用設(shè)計的微功耗、高度集成的電源管理和電池充電IC。

文件下載：LTC3553.pdf

一、LTC3553的關(guān)鍵特性

1. 超低靜態(tài)電流

LTC3553在所有輸出開啟的待機(jī)模式下，僅消耗12μA的靜態(tài)電流。這一特性對于那些需要長時間待機(jī)的設(shè)備，如可穿戴設(shè)備和低功耗醫(yī)療設(shè)備來說，無疑是非常重要的，能夠顯著延長電池的使用時間。

2. 無縫切換電源

它可以在Li - Ion/Polymer電池和USB這兩種輸入電源之間實(shí)現(xiàn)無縫切換。內(nèi)部的240mΩ理想二極管提供了低損耗的PowerPath?，確保在電源切換時設(shè)備能穩(wěn)定運(yùn)行，不會出現(xiàn)供電中斷的情況。

3. 高效穩(wěn)壓輸出

• 200mA降壓調(diào)節(jié)器：采用恒定頻率電流模式，在輕負(fù)載時能自動進(jìn)入Burst Mode操作，以保持高效率。
• 150mA低壓差（LDO）線性調(diào)節(jié)器：輸出穩(wěn)定，能夠為對電源質(zhì)量要求較高的電路提供干凈的電源。

4. 完善的電池充電功能

具備可編程充電電流和熱限制功能，能夠根據(jù)電池狀態(tài)和環(huán)境溫度自動調(diào)整充電電流，確保電池安全、快速地充電。同時，還支持即時啟動操作，即使電池電量耗盡，也能迅速為設(shè)備供電。

5. 小巧封裝

采用3mm × 3mm × 0.75mm的20引腳QFN封裝，節(jié)省了電路板空間，非常適合用于小型便攜式設(shè)備。

二、電氣特性詳解

1. 靜態(tài)電流

在不同的工作模式下，如Buck和LDO關(guān)閉、開啟等狀態(tài)，LTC3553的電池放電電流和輸入電流都有明確的參數(shù)。例如，在Buck和LDO開啟且處于待機(jī)模式時，電池放電電流典型值為16μA。這些參數(shù)對于評估設(shè)備的功耗和電池續(xù)航能力非常關(guān)鍵。

2. 輸入電源

• 輸入電壓范圍： (V_{BUS}) 的輸入電壓范圍為4.35V至5.5V，能夠適應(yīng)常見的USB電源和DC輸出墻適配器。
• 輸入電流限制：通過HPWR引腳可以選擇100mA或500mA的輸入電流限制，以滿足不同的應(yīng)用需求。

3. 電池充電

• 浮充電壓：在0 ≤ (T{A}) ≤ 85°C時， (V{BAT}) 的調(diào)節(jié)輸出電壓為4.165V至4.235V。
• 充電電流：通過連接從PROG到地的電阻可以編程充電電流，典型值為400mA。

4. 理想二極管

• 正向電壓檢測：典型值為15mV。
• 導(dǎo)通電阻：當(dāng) (I{OUT}) = 200mA且 (V{BUS}) = 0V時，二極管導(dǎo)通電阻為240mΩ。

三、工作原理分析

1. USB PowerPath控制器

該控制器的輸入電流限制和充電器控制電路能夠根據(jù)負(fù)載情況自動調(diào)整電池充電電流，確保輸入電流不超過USB規(guī)格。當(dāng)負(fù)載超過編程的輸入電流限制時，電池充電器會自動降低充電電流，優(yōu)先滿足外部負(fù)載的需求。

2. 理想二極管

從BAT到 (V{OUT}) 的內(nèi)部理想二極管能夠在 (V{OUT}) 低于BAT時迅速響應(yīng)，提供額外的電流。即使USB電源斷開，設(shè)備也能通過電池供電，保證了電源的連續(xù)性。

3. 電池充電器

• 充電過程：充電開始時，會先檢測電池是否深度放電。如果電池電壓低于 (V_{TRKL}) （典型值2.9V），則進(jìn)行涓流充電；當(dāng)電池電壓高于2.9V時，進(jìn)入全功率恒流充電模式。
• 充電終止：內(nèi)置安全定時器，當(dāng)電池電壓接近浮充電壓時，進(jìn)入恒壓模式，定時器開始計時。定時器到期后，充電終止。
• 自動充電：當(dāng)電池電壓下降到 (V_{RECHRG}) （典型值4.1V）時，會自動開始新的充電周期。

4. NTC熱敏電阻

通過連接NTC熱敏電阻，可以監(jiān)測電池溫度。當(dāng)電池溫度過高或過低時，充電會暫停，以保護(hù)電池和芯片。用戶可以通過調(diào)整偏置電阻或添加調(diào)節(jié)電阻來調(diào)整溫度閾值。

四、應(yīng)用電路設(shè)計

1. 降壓調(diào)節(jié)器

• 輸出電壓編程：通過電阻分壓器連接到反饋引腳（BUCKFB）來編程輸出電壓，公式為 (V{BUCK}=0.8V cdot(frac{R1}{R2}+1)) 。
• 電感選擇：根據(jù)所需的輸出電壓選擇合適的電感值，例如輸出電壓為1.8V或更低時，推薦使用10μH的電感。同時，要選擇具有低直流電阻和足夠電流額定值的電感，以確保高效率和穩(wěn)定性。
• 輸入/輸出電容選擇：使用低ESR的陶瓷電容，輸出電容建議至少為4μF，以保證良好的瞬態(tài)響應(yīng)和穩(wěn)定性。

2. LDO調(diào)節(jié)器

• 輸出電壓編程：同樣通過電阻分壓器連接到反饋引腳（LDOFB）來編程輸出電壓，公式為 (V{LDO}=0.8V cdot(frac{R1}{R2}+1)) 。
• 穩(wěn)定性：為了保證LDO的穩(wěn)定性，輸出必須旁路至少1μF的陶瓷電容。

3. 按鈕接口

按鈕接口用于控制調(diào)節(jié)器的開啟和關(guān)閉以及系統(tǒng)復(fù)位。通過不同的按鈕操作，可以實(shí)現(xiàn)電源的開啟、關(guān)閉、硬復(fù)位等功能。例如，按下按鈕（ON輸入低）400ms可以進(jìn)入上電狀態(tài)，按下并保持5秒可以觸發(fā)硬復(fù)位事件。

五、布局和熱考慮

1. 電路板功率耗散

為了確保LTC3553能夠在各種條件下提供最大充電電流，必須將其背面的暴露焊盤焊接到電路板的接地平面上。正確焊接到2500 (mm^{2}) 的接地平面上時，熱阻約為70°C/W。當(dāng)芯片溫度過高時，內(nèi)部的熱反饋回路會自動降低充電電流，以保護(hù)芯片和周圍組件。

2. 電路板布局

• 接地：暴露焊盤（Pin 21）應(yīng)直接連接到大型接地平面，以最小化熱和電氣阻抗。
• 電源引腳：調(diào)節(jié)器輸入電源引腳（BVIN和 (V_{INLDO}) ）及其去耦電容的連接應(yīng)盡可能短，以減少電感。
• 開關(guān)節(jié)點(diǎn)：SW引腳與電感的連接應(yīng)盡量短，以減少輻射EMI和寄生耦合。同時，敏感節(jié)點(diǎn)（如反饋節(jié)點(diǎn)）應(yīng)遠(yuǎn)離開關(guān)節(jié)點(diǎn)。

六、總結(jié)

LTC3553是一款功能強(qiáng)大、性能優(yōu)異的電源管理芯片，具有超低靜態(tài)電流、無縫電源切換、高效穩(wěn)壓輸出和完善的電池充電功能等特點(diǎn)。在設(shè)計便攜式電子設(shè)備時，它能夠為設(shè)備提供穩(wěn)定、可靠的電源解決方案。然而，在實(shí)際應(yīng)用中，我們還需要根據(jù)具體的設(shè)計需求，合理選擇外部組件，并注意電路板的布局和熱管理，以充分發(fā)揮LTC3553的優(yōu)勢。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)分享你的經(jīng)驗和見解。