深入剖析LTC3567：高效USB電源管理與1A降壓-升壓解決方案

在當今的電子設(shè)備設(shè)計中，高效的電源管理和穩(wěn)定的供電方案至關(guān)重要。特別是對于基于USB的手持設(shè)備，如HDD MP3播放器、PDA、GPS和PMP產(chǎn)品等，需要一款能夠充分利用USB電源、同時滿足電池充電和負載供電需求的芯片。Linear Technology的LTC3567就是這樣一款高度集成的電源管理和電池充電IC，下面我們就來詳細了解一下它。

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一、LTC3567的特性亮點

1. 電源管理器

• 高效開關(guān)式PowerPath?控制器：采用Bat - Track?自適應(yīng)輸出控制技術(shù)，能自動對負載進行優(yōu)先級排序，在USB或適配器供電應(yīng)用中，可將輸入電流自動限制在100mA、500mA或1A，充分利用USB端口的2.5W可用功率，減少熱量損耗，為應(yīng)用提供更多功率。
• 可編程USB或墻式電流限制：用戶可根據(jù)需求通過(I^{2}C)控制將輸入電流限制設(shè)置為100mA、500mA或1A，還能在USB暫停模式下停用電流限制。
• 全功能鋰離子/聚合物電池充電器：具備“即時開啟”功能，即使電池放電也能迅速為系統(tǒng)供電。最大充電電流可達1.5A，內(nèi)部集成180mΩ理想二極管，并可控制外部理想二極管，在電池模式下為負載供電。在電池供電時，空載靜態(tài)電流極低，小于30μA。

2. 1A降壓 - 升壓DC/DC轉(zhuǎn)換器

• 高效性能：在輸出電流為1A時仍能保持較高效率，采用2.25MHz恒定頻率工作，空載靜態(tài)電流約為13μA，關(guān)機電流為零。
• (I^{2}C)控制：所有功能均可通過(I^{2}C)接口進行控制，方便用戶進行靈活配置和管理。

二、電氣特性詳解

1. 電源路徑開關(guān)穩(wěn)壓器

• 輸入電壓范圍：(V_{BUS})輸入電源電壓范圍為4.35V至5.5V，能適應(yīng)不同的USB或適配器供電電壓。
• 輸入電流限制：可通過(I^{2}C)設(shè)置不同模式下的輸入電流限制，如1x模式（USB 100mA限制）、5x模式（USB 500mA限制）、10x模式（墻式1A限制）和暫停模式，確保輸入電流符合USB規(guī)范。
• 開關(guān)頻率：開關(guān)頻率為1.8MHz至2.7MHz，典型值為2.25MHz，能有效減少電磁干擾。

2. 電池充電器

• 浮充電壓：電池調(diào)節(jié)輸出電壓(V_{FLOAT})在4.165V至4.235V之間，典型值為4.200V，保證電池充電的安全性和穩(wěn)定性。
• 充電電流：通過(R{PROG})電阻可設(shè)置恒定電流模式下的充電電流，如(R{PROG}=5k)時，充電電流為980mA至1065mA。
• 電池放電電流：在不同條件下，電池放電電流較小，如(V{BUS}>V{UVLO})且電池充電器關(guān)閉、輸出電流為0μA時，放電電流為2μA至38μA。

3. 降壓 - 升壓穩(wěn)壓器

• 輸入輸出電壓范圍：輸入電源電壓(V{IN1})范圍為2.7V至5.5V，輸出電壓(V{OUT1})可在2.65V至5.6V之間進行調(diào)節(jié)，能滿足不同負載的電壓需求。
• 電流限制：正向電流限制（開關(guān)A）在PWM模式下為2A至3A，正向突發(fā)電流限制（開關(guān)A）在突發(fā)模式下為200mA至350mA，反向突發(fā)電流限制（開關(guān)D）在突發(fā)模式下為 - 30mA至30mA。

三、工作原理深度解析

1. 高效開關(guān)式PowerPath控制器

當(V{BUS})有電源且PowerPath開關(guān)穩(wěn)壓器啟用時，電源通過SW從(V{BUS})傳輸?shù)?V{OUT})，為外部負載和電池充電器供電。如果負載電流不超過設(shè)定的輸入電流限制，(V{OUT})將跟蹤電池電壓并高出0.3V，以優(yōu)化效率；如果負載電流過大，電池充電器將自動降低充電電流，優(yōu)先滿足外部負載需求，確保輸入電流不違反USB規(guī)范。

2. 理想二極管

LTC3567內(nèi)部集成理想二極管，并可控制外部理想二極管。當(V{OUT})電壓低于電池電壓時，理想二極管迅速導(dǎo)通，為(V{OUT})提供電源，保證系統(tǒng)在(V_{BUS})電源不足或斷開時仍能正常工作。內(nèi)部理想二極管的正向電壓約為15mV，導(dǎo)通電阻約為180mΩ，若需要更大的導(dǎo)通能力，可添加外部P溝道MOSFET。

3. 電池充電器

• 電池預(yù)處理：充電開始時，若電池電壓低于(V_{TRKL})（典型值2.85V），充電器將自動采用涓流充電，充電電流為編程值的10%。若低電壓持續(xù)超過半小時，充電器將自動終止充電，并通過CHRG引腳指示電池無響應(yīng)。
• 充電終止：當電池電壓達到預(yù)設(shè)的浮充電壓4.200V時，充電器進入恒壓模式，充電電流自然減小。同時，安全定時器啟動，4小時后充電自動停止。
• 自動充電：電池充電器停止后，若電池電壓降至4.1V以下，充電周期將自動重啟。此外，當(V_{BUS})欠壓鎖定循環(huán)或通過(I^{2}C)端口、CHRGEN引腳關(guān)閉/開啟充電器時，充電周期和安全定時器也會重啟。
• 充電狀態(tài)指示：CHRG引腳用于指示電池充電器的狀態(tài)，通過不同的電平狀態(tài)和高頻開關(guān)信號表示充電、未充電、電池無響應(yīng)和電池溫度超出范圍四種狀態(tài)，方便用戶和微處理器識別。

4. (I^{2}C)接口

LTC3567通過標準的(I^{2}C) 2線接口接收主機命令，可對電源路徑開關(guān)穩(wěn)壓器的輸入電流限制、電池充電器的啟用/禁用、降壓 - 升壓穩(wěn)壓器的模式和輸出電壓等功能進行編程控制?？偩€速度可達400kHz，具備內(nèi)置的時序延遲和輸入濾波器，確保通信的穩(wěn)定性和可靠性。

5. 降壓 - 升壓DC/DC轉(zhuǎn)換器

該轉(zhuǎn)換器采用2.25MHz恒定頻率電壓模式工作，可提供高達1A的輸出負載電流。有PWM模式和突發(fā)模式兩種工作模式可供選擇，PWM模式適用于中重負載，能提供低噪聲的開關(guān)解決方案；突發(fā)模式適用于輕負載，可顯著降低功耗。轉(zhuǎn)換器還具備軟啟動、短路電流保護和開關(guān)節(jié)點擺率限制等功能，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。

四、應(yīng)用設(shè)計要點

1. 元件選擇

• CLPROG電阻和電容：CLPROG引腳的電阻決定了開關(guān)穩(wěn)壓器在不同模式下的平均輸入電流限制，為確保嚴格符合USB規(guī)范，應(yīng)使用1%精度的電阻。同時，需并聯(lián)一個平均電容或R - C組合，電容值應(yīng)不小于0.1μF，以保證開關(guān)穩(wěn)壓器能準確確定平均輸入電流，并提供反饋環(huán)路的主導(dǎo)極點。
• PowerPath電感：PowerPath開關(guān)穩(wěn)壓器設(shè)計使用3.3μH的電感，推薦使用Coilcraft的LPS4018、Toko的D53LC等電感，這些電感具有合適的電感值、最大直流電流和直流電阻，能滿足電路的性能要求。
• (V{BUS})和(V{OUT})旁路電容：建議使用低等效串聯(lián)電阻（ESR）的多層陶瓷電容對(V{BUS})和(V{OUT})進行旁路，以減少輸入紋波和輸出電壓的瞬態(tài)變化。(V{BUS})電容值越大，輸入紋波越??；(V{OUT})至少需要4μF的低ESR電容，增加電容值可提高負載瞬態(tài)性能和穩(wěn)定性。
• 降壓 - 升壓穩(wěn)壓器電感：降壓 - 升壓轉(zhuǎn)換器適用于1μH至5μH的電感，大多數(shù)應(yīng)用中2.2μH的電感即可滿足需求。選擇低直流電阻的電感可提高效率，同時電感的直流電流額定值應(yīng)至少為最大負載電流的兩倍，以防止電感飽和。
• 降壓 - 升壓穩(wěn)壓器輸入/輸出電容：降壓 - 升壓穩(wěn)壓器的輸入和輸出應(yīng)使用低ESR的MLCC電容，推薦使用X5R或X7R陶瓷電容，它們在較寬的電壓和溫度范圍內(nèi)能保持穩(wěn)定的電容值。輸出電容一般為22μF，輸入電源應(yīng)使用2.2μF的電容進行旁路。

2. 電路設(shè)計

• USB浪涌限制：為防止USB熱插拔時產(chǎn)生的過電壓損壞LTC3567，可在(V_{BUS})引腳使用電壓系數(shù)較低的電容，或采用軟連接電路，通過電容和電阻的組合限制電流的上升速度，抑制諧振過沖。
• 降壓 - 升壓穩(wěn)壓器輸出電壓編程：通過電阻分壓器將(V_{OUT1})引腳連接到FB1引腳，可對降壓 - 升壓穩(wěn)壓器的輸出電壓進行編程，輸出電壓范圍為2.75V至5.5V。
• 反饋環(huán)路閉合：LTC3567采用電壓模式PWM控制，控制到輸出增益隨工作區(qū)域變化，但通常不超過20。為確保系統(tǒng)穩(wěn)定，可采用Type I或Type III補償網(wǎng)絡(luò)，Type III補償網(wǎng)絡(luò)可提供更高的帶寬和更好的瞬態(tài)響應(yīng)。

3. PCB布局注意事項

• 散熱和接地：LTC3567封裝背面的裸露焊盤必須焊接到PCB的接地平面，以確保良好的散熱和電氣連接。同時，輸入電容、電感和輸出電容應(yīng)盡量靠近芯片，接地平面應(yīng)連續(xù)無切割，以減少高頻電流的路徑電感和輻射干擾。
• 敏感元件布局：應(yīng)將敏感元件遠離SW引腳，避免受到開關(guān)信號的干擾。

4. 電池充電器穩(wěn)定性考慮

• 恒壓環(huán)路：當電池通過低阻抗引線連接時，恒壓環(huán)路無需補償即可穩(wěn)定工作。但如果引線過長，可能需要在BAT和GND之間添加至少1μF的旁路電容。當電池斷開時，需要在BAT和GND之間連接一個4.7μF電容和0.2Ω至1Ω電阻的串聯(lián)組合，以降低紋波電壓。
• 恒流環(huán)路：在恒流模式下，PROG引腳位于反饋環(huán)路中，應(yīng)盡量減少該引腳的電容，以避免引入額外的極點。如果PROG引腳存在寄生電容(C{PROG})，應(yīng)根據(jù)公式(R{PROG} leq frac{1}{2pi cdot 100kHz cdot C{PROG}})計算(R{PROG})的最大阻值。

五、典型應(yīng)用案例

文檔中給出了一個直接引腳控制的LTC3567 USB電源管理器與3.3V/1A降壓 - 升壓轉(zhuǎn)換器的典型應(yīng)用電路，該電路可應(yīng)用于USB供電的手持設(shè)備，如HDD MP3播放器、PDA等。電路中詳細列出了各個元件的型號和參數(shù)，為工程師的設(shè)計提供了參考。

六、總結(jié)

LTC3567是一款功能強大、性能卓越的電源管理和電池充電IC，它集成了高效的電源路徑控制器、電池充電器、理想二極管、始終開啟的LDO和1A降壓 - 升壓開關(guān)穩(wěn)壓器，通過(I^{2}C)接口實現(xiàn)靈活的控制和配置。在設(shè)計基于USB的手持設(shè)備時，LTC3567能幫助工程師充分利用USB電源，滿足電池充電和負載供電的需求，同時提高系統(tǒng)的效率和穩(wěn)定性。但在應(yīng)用過程中，工程師需要根據(jù)具體需求合理選擇元件、設(shè)計電路和布局PCB，以確保LTC3567發(fā)揮最佳性能。你在使用LTC3567的過程中遇到過哪些問題呢？歡迎在評論區(qū)分享你的經(jīng)驗和見解。