探索 LTC4124：高性能無線鋰離子充電器的設計指南

在當今電子設備小型化、便捷化的發(fā)展趨勢下，無線充電技術因其擺脫線纜束縛、增強設備防水防塵性能等優(yōu)勢，正逐漸成為眾多便攜式設備的首選充電方式。今天，我們將深入探討凌力爾特（現屬亞德諾半導體）推出的 LTC4124 無線鋰離子充電器，它以其豐富的功能、緊湊的封裝和出色的性能，為低功耗便攜式應用提供了理想的解決方案。

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一、LTC4124 概述

LTC4124 是一款簡單高效的無線單節(jié)鋰離子電池充電器，具備低電池斷開功能。它集成了無線電源管理器、全功能線性電池充電器和理想二極管 PowerPath? 控制器三大核心組件，能夠實現無線功率接收、充電管理和電源路徑控制等功能。該芯片采用小巧的 2mm × 2mm LQFN-12 封裝，搭配少量外部元件，即可構建出超小尺寸的完整解決方案，非常適合對空間要求苛刻的低功耗便攜式應用。

主要特性

1. 無線充電與整流：支持從直流到 >10MHz 的寬帶無線充電頻率，可通過外部 LC 諧振電路從交變磁場中無線接收能量，并將其整流為直流電，為電池充電。
2. 充電參數可配置：通過引腳選擇，可靈活設置充電電流（10mA/25mA/50mA/100mA）和充電電壓（4.0V/4.1V/4.2V/4.35V），滿足不同電池和應用場景的需求。
3. 低電池斷開保護：具備引腳可選的低電池斷開電壓（2.7V/3.2V），當電池電壓低于設定值時，自動斷開電池連接，防止過放電，延長電池使用壽命。
4. 溫度保護：集成 NTC 熱敏電阻輸入，可實現溫度合格充電功能。當電池溫度超出安全范圍時，暫停充電過程，待溫度恢復正常后再繼續(xù)充電，確保充電安全。
5. 安全充電終止：內置安全充電終止定時器，當充電時間達到設定值時，自動停止充電，避免過充。
6. 極低電池漏電流：在斷開/運輸模式下，電池漏電流幾乎為零，有效減少電池自放電。

應用領域

LTC4124 適用于多種低功耗便攜式應用，如醫(yī)療無線傳感器、軍事可穿戴設備、高端無線耳機、藍牙流媒體耳機、虛擬現實頭盔、高端遙控器以及物聯網設備等。

二、技術參數詳解

絕對最大額定值

在使用 LTC4124 時，必須確保其工作條件在絕對最大額定值范圍內，以避免對芯片造成永久性損壞。主要參數包括：輸入電源電壓（如 DCIN、VCC、BAT 為 -0.3V 至 6V，ACIN 為 VCC - 40V 至 VCC + 0.3V）、輸入電源電流（I(ACIN)、I(DCIN) 最大為 200mA）、編程引腳電壓范圍、工作結溫范圍（-40°C 至 125°C）、存儲溫度范圍（-20°C 至 85°C）以及最大回流溫度（260°C）等。

電氣特性

LTC4124 的電氣特性在不同工作條件下表現出色，以下是一些關鍵參數：

1. 電源輸入范圍：DC 輸入電源電壓（VDCIN）工作范圍為 3.3V 至 5.5V，VCC 電源電壓工作范圍為 2.7V 至 5.5V。
2. 靜態(tài)電流：在不同工作狀態(tài)下，芯片的靜態(tài)電流非常低。例如，VCC 輸入靜態(tài)電流（IVCC）在不充電時最大為 250μA，電池靜態(tài)電流（IBAT）在充電完成或不充電且 VCC > VBAT 時最大為 7μA，在斷開模式和運輸模式下，電池漏電流最大僅為 50nA。
3. 充電參數：充電電流和充電電壓的精度較高，且可通過引腳編程設置。例如，在恒定電流模式下，不同引腳設置對應的充電電流分別為 8.5mA 至 11.5mA、22mA 至 27.5mA、45mA 至 53.5mA 和 95mA 至 103.5mA；充電電壓可設置為 3.990V 至 4.361V 之間的四個檔位。
4. 溫度保護參數：NTC 輸入可檢測電池溫度，通過設置不同的閾值實現對充電過程的溫度控制。例如，NTC 冷閾值（VNTC(COLD)）為 VCC 的 73% 至 77%，熱閾值（VNTC(HOT)）為 VCC 的 33% 至 37%，當 NTC 引腳電壓超出這些范圍時，充電將暫停。

三、引腳功能與操作原理

引腳功能

LTC4124 共有 12 個引腳，每個引腳都有特定的功能，以下是主要引腳的介紹：

1. VCC（引腳 1）：系統直流電源輸入引腳，電壓范圍為 2.7V 至 5.5V。內部通過二極管與 ACIN 和 DCIN 引腳相連，其電壓由 DCIN 電壓和 ACIN 引腳的峰值交流電壓中的較高者決定。
2. CHRG（引腳 2）：充電狀態(tài)指示引腳，為開漏輸出，內部有 300μA 的下拉電流源。通過連接 LED 到 VCC，可根據該引腳的不同狀態(tài)指示充電狀態(tài)，如高阻抗表示無輸入電源，慢速閃爍（0.8Hz）表示正在充電，快速閃爍（6Hz）表示因電池溫度異常、檢測到壞電池或欠壓電流限制而暫停充電，下拉狀態(tài)表示充電結束或達到 C/10 充電電流。
3. PRECHG（引腳 3）：預充電使能引腳，將其連接到 VCC 可在電池電壓低于預充電閾值時啟用小電流預充電功能，連接到 GND 則禁用該功能。
4. VSEL1 和 VSEL2（引腳 4 和 5）：充電電壓選擇引腳，通過將這兩個引腳分別連接到 VCC 或 GND，可設置電池的充電電壓。
5. ISEL1 和 ISEL2（引腳 6 和 7）：充電電流選擇引腳，通過將這兩個引腳分別連接到 VCC 或 GND，可設置電池的充電電流。
6. LBSEL（引腳 8）：低電池斷開電壓選擇引腳，連接到 VCC 或 GND 可設置低電池斷開電壓為 3.2V 或 2.7V。
7. NTC（引腳 9）：熱敏電阻輸入引腳，連接一個 100kΩ 的 NTC 熱敏電阻到 GND，用于檢測電池溫度，實現溫度合格充電功能。
8. BAT（引腳 10）：電池連接引腳，將鋰離子電池連接到該引腳。
9. ACIN（引腳 11）：交流輸入電源電壓引腳，連接外部 LC 諧振電路，用于無線接收能量。當該引腳的峰值電壓高于 DCIN 引腳電壓時，為 VCC 引腳供電。
10. DCIN（引腳 12）：可選的直流輸入電源電壓引腳，電壓范圍為 3.3V 至 5.5V。當該引腳電壓高于 ACIN 引腳的峰值電壓時，為 VCC 引腳供電。
11. GND（引腳 13）：設備接地引腳，需連接到 PCB 的銅接地平面，以確保良好的電氣性能和散熱性能。

操作原理

無線電源管理

LTC4124 通過連接到 ACIN 引腳的外部平行諧振 LC 電路，從發(fā)射線圈產生的交變磁場中無線接收能量。內部二極管 D1 對 ACIN 引腳的交流電壓進行整流，比較器 CP1、開關 SW1 和 SW2 協同工作，將 VCC 引腳的整流電壓調節(jié)到電池電壓（BAT）以上 0.85V 至 1.05V 之間（前提是 BAT ≥ 2.8V）。此外，該芯片還支持通過 DCIN 引腳連接直流電源供電，內部二極管 D1 和 D2 會選擇 DCIN 引腳電壓和 ACIN 引腳峰值交流電壓中的較高者作為 VCC 引腳的電源。

電池充電

LTC4124 內置了一個引腳可編程的全功能 CC/CV（恒流/恒壓）線性電池充電器，具備安全定時器終止、壞電池檢測、溫度合格安全充電和自動充電等功能。充電過程如下：

1. 充電啟動：當 VCC 引腳電壓達到 3.4V 時，充電器開始嘗試對電池充電，啟動充電周期。
2. 恒流充電（CC 模式）：在充電周期開始時，當電池電壓低于充電閾值（通常為最終充電電壓的 97.6%）時，充電器進入 CC 模式，以設定的充電電流對電池進行充電。
3. 恒壓充電（CV 模式）：當電池電壓接近最終充電電壓時，充電器進入 CV 模式，充電電流開始下降，同時啟動 3 小時的充電終止定時器。當充電電流下降到設定充電電流的 10% 時，CHRG 引腳停止閃爍并變?yōu)橄吕瓲顟B(tài)，但充電仍以持續(xù)減小的小電流繼續(xù)進行，直到 3 小時充電終止時間到期，充電完全停止。
4. 自動充電：充電終止后，如果電池電壓因自放電或芯片的微小電流消耗而下降到充電閾值以下，充電器將自動啟動新的充電周期。
5. 涓流充電：通過將 PRECHG 引腳連接到 VCC，可啟用涓流充電功能。當電池電壓低于預充電閾值（通常為設定充電電壓的 68%）時，在 CC 模式下，充電電流將降低到設定充電電流的 10%。
6. 壞電池檢測：如果在任何充電周期中，電池電壓在壞電池檢測時間（tBB，通常為 30 至 60 分鐘）內一直低于預充電閾值，CHRG 引腳將快速閃爍（6Hz），表示檢測到壞電池。
7. 欠壓電流限制（UVCL）：當 VCC 電壓下降到 3.4V 時，充電器會逐漸將充電電流從設定值降低到零。當 VCC 電壓低于 3.45V 時，CHRG 引腳快速閃爍（6Hz），表示出現 UVCL 故障。該功能可避免因無線功率不足導致的充電不穩(wěn)定問題。
8. 溫度合格充電：通過連接到 NTC 引腳的 100kΩ NTC 熱敏電阻，可檢測電池溫度。當 NTC 引腳電壓高于 VCC 的 75% 或低于 VCC 的 35% 時，充電器將暫停充電，待溫度恢復到 VCC 的 40% 至 70% 范圍內時，充電繼續(xù)進行。

低電池斷開與運輸模式

當無輸入電源且電池電壓低于斷開電壓（VBAT_LBDIS）時，LTC4124 會關閉，打開斷開開關 M3，消除電池的任何電流消耗，保護電池免受過度放電的損害。運輸模式可通過特定的操作激活，激活后，無論電池電壓如何，芯片都能消除電池的電流消耗，確保設備在出廠運輸過程中電池電量保持穩(wěn)定。

理想二極管電源路徑

當 LTC4124 不在低電池斷開模式或運輸模式時，理想二極管控制模塊會調節(jié) VCC 電壓，使電池引腳（BAT）到 VCC 引腳的電壓降保持在 50mV，實現低損耗傳導。在高負載電流時，開關 M2 完全導通，其導通電阻與連接 BAT 到 VCC 的 M3 電阻相加。充電器控制模塊驅動 M1 和理想二極管控制模塊驅動 M2 協同工作，可實現從充電模式到低損耗放電模式的平滑過渡。

四、應用電路設計

組件選擇

最簡單應用電路

在僅使用直流輸入電壓且無需無線功率輸入的最簡單應用中，使用 LTC4124 構建單節(jié)鋰離子電池充電器無需任何外部元件。但這種應用不具備溫度合格充電功能和可視化充電狀態(tài)指示。

添加溫度保護和充電指示

為了實現溫度合格充電功能，需要在 NTC 引腳和 GND 之間連接一個 100kΩ 的 NTC 熱敏電阻。推薦使用 TDK 的 NTCG064EF104F 或村田的 NCP03WF104F 等型號。為了添加可視化充電狀態(tài)指示，可在 VCC 引腳和 CHRG 引腳之間連接一個 LED，推薦使用 Kingbright 的 APG0603VGC 或 APG0603SEC-E-TT 等型號。

無線功率組件

為了使 LTC4124 能夠無線接收能量，需要在 ACIN 引腳連接一個平行 LC 諧振電路。

1. 接收線圈/諧振電感 L：選擇接收線圈時，最重要的因素是線圈的品質因數（Q），Q 值越高，能量傳輸效率越高。計算公式為 (Q{L}=frac{omega{n} L}{R{S}})，其中 (omega{n}) 是工作諧振頻率（rad/s），(R_{S}) 是線圈的寄生串聯電阻。通常，應用的尺寸會限制 Q 值，因此建議先考慮最終應用的整體尺寸，再選擇合適的最大線圈。此外，使用鐵氧體磁芯可以提高線圈的自感值和 Q 值，改善線圈之間的耦合和互感，從而提高功率傳輸效率。推薦的接收線圈型號包括 Wurth Elektronik 的 760308101216（7.2μH，6mm 直徑）、760308101208（13μH，10mm 直徑）和 760308101220（12.6μH，17mm 直徑）等。
2. 諧振頻率選擇：雖然較高的工作頻率可以提高線圈的品質因數，但也存在一些限制。一是線圈的自諧振頻率，工作頻率應至少比線圈自諧振頻率低 5 倍，以確保通過選擇合適的諧振電容值能很好地控制工作頻率。二是發(fā)射電路驅動能力和效率，較高的工作頻率會增加發(fā)射電路中某些元件的開關速度和開關損耗，降低整體效率。因此，用戶應根據所選線圈和發(fā)射電路驅動的情況，選擇合適的高工作頻率。LTC4124 適用于諧振頻率在 50kHz 至 10MHz 之間的系統。
3. 諧振電容 C：選定線圈和工作頻率后，諧振電容的值可根據公式 (C=frac{1}{omega{n}^{2} L}) 計算得出，其中 (omega{n}) 是工作諧振頻率（rad/s），(L) 是接收線圈電感。建議選擇低 ESR 和低熱系數的陶瓷電容，如 COG 或 X7R 類型。推薦的諧振電容型號包括村田的 GRM155R71H332JA01D（50V，0402，3.3nF）、GRM155R71H683KE14J（50V，0402，68nF）等。
4. 發(fā)射功率電平選擇：發(fā)射功率電平應盡可能設置得低，以確保接收器在最壞情況下的耦合條件（即最大發(fā)射距離和最差對齊情況）下仍能接收到所需的輸出功率。需要注意的是，LTC4124 雖然能夠分流多余的接收功率以維持 VCC 電壓在所需范圍內，但在分流過多功率時會導致溫度升高。因此，需要仔細評估應用需求，確保 LTC4124 和最終應用的工作溫度范圍不被超過?？梢酝ㄟ^實驗方法確定發(fā)射功率電平，也可以使用公式計算接收器 ACIN 引腳的最大負電壓，以確保不超過 40V。

PCB 布局考慮

由于 LTC4124 封裝的裸露焊盤是唯一的接地連接，且作為充電器和 DC/DC 轉換器的回流路徑，因此必須將其焊接到 PCB 的接地平面上，以確保良好的電氣連接。無線電源管理模塊中的分流電路會在芯片內部消耗一些功率，可能導致管芯溫度升高。為了獲得最佳的散熱性能，應在裸露焊盤下方設置一組過孔，直接通向第二層的接地平面。推薦的 PCB 布局可參考文檔中的示例，其直徑僅為 5.2mm，可實現引腳可編程設置的所有排列組合。

五、設計實例分析

單晶體管發(fā)射機和 LTC4124 10mA 充電器接收器

該設計實例使用一個單晶體管發(fā)射機作為 DC/AC 轉換器，驅動交流電流進入發(fā)射線圈 (LTX)。NMOS 開關 M1 由 LTC6990 振蕩器產生的 50% 占空比方波驅動。通過合理設置發(fā)射 LC 諧振電路的頻率和驅動頻率，可以實現零電壓開關（ZVS），顯著降低開關損耗。具體設計步驟如下：

1. 確定接收器諧振頻率和 LC 諧振電路組件值：選擇接收器諧振頻率時，應使其至少比線圈的自諧振頻率低 5 倍，并在發(fā)射電路驅動能力范圍內。在本實例中，選擇 1MHz 作為接收器諧振頻率，根據公式計算出所需的諧振電容 (C_{RX}) 為 3.3nF。選擇具有合適電壓額定值和小尺寸的電容，如 25V、0603