LTC4155：打造高效電源管理與充電解決方案

在電子設(shè)備的設(shè)計中，電源管理和電池充電是至關(guān)重要的環(huán)節(jié)。今天我們要深入探討的是 Linear Technology（現(xiàn)屬于 Analog Devices）推出的一款強(qiáng)大的電源管理芯片——LTC4155，它在多方面表現(xiàn)出色，能為各類便攜式設(shè)備提供可靠的電源管理和充電功能。

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一、LTC4155簡介

LTC4155 是一款 15 瓦 (I^{2} C) 控制的電源管理器，具備 PowerPath? 即時導(dǎo)通操作、高效的開關(guān)式電池充電功能，還能與 USB 完美兼容。它可以無縫地管理來自兩個 5V 電源（如 USB 端口和壁式適配器）的電力分配，為單節(jié)可充電鋰離子/聚合物電池以及系統(tǒng)負(fù)載提供穩(wěn)定的電力。

二、關(guān)鍵特性剖析

1. 高效充電與出色的電源管理

• 高效充電器：能夠提供高達(dá) 3.5A 的充電電流，且采用了單片式開關(guān)穩(wěn)壓器，能充分利用有限的功率和熱預(yù)算，減少熱量產(chǎn)生，提高效率。在一些對充電速度要求較高的設(shè)備中，如平板電腦、智能手機(jī)等，它可以快速為電池補(bǔ)充電量，同時保證設(shè)備的穩(wěn)定性。
• 雙輸入過壓保護(hù)：通過雙輸入過壓保護(hù)控制器，能夠有效防止因電壓過高而對芯片造成損壞。當(dāng)檢測到輸入電壓超過安全閾值時，會迅速采取措施保護(hù)電路，確保設(shè)備的安全性。
• 優(yōu)先多路復(fù)用：支持多個輸入的優(yōu)先多路復(fù)用功能，可以根據(jù)預(yù)設(shè)的優(yōu)先級自動選擇合適的電源輸入。例如，當(dāng)壁式適配器和 USB 端口同時連接時，它可以根據(jù)設(shè)定的規(guī)則優(yōu)先選擇其中一個電源為設(shè)備供電，提高電源使用的靈活性。
• I2C 控制與狀態(tài)反饋：借助 (I^{2} C) 接口，用戶可以對輸入電流、充電電流、電池浮動電壓、充電終止等多個參數(shù)進(jìn)行靈活調(diào)整，實現(xiàn)智能化的控制。同時，芯片還能實時反饋關(guān)鍵系統(tǒng)和充電參數(shù)的狀態(tài)，方便工程師進(jìn)行監(jiān)測和調(diào)試。
• NTC 熱敏電阻 ADC：配備 NTC 熱敏電阻 ADC，可用于實現(xiàn)溫度相關(guān)的充電算法（JEITA）。在電池充電過程中，實時監(jiān)測電池溫度，當(dāng)溫度過高或過低時，自動調(diào)整充電策略，確保電池的安全和壽命。
• 即時導(dǎo)通操作：在電池電量極低的情況下，也能實現(xiàn)即時導(dǎo)通操作，保證系統(tǒng)能夠立即啟動。這對于需要在任何情況下都能迅速響應(yīng)的設(shè)備，如應(yīng)急設(shè)備、醫(yī)療設(shè)備等，具有重要意義。
• 電池理想二極管控制器：通過電池理想二極管控制器進(jìn)行電源管理，能夠確保在輸入功率不足或缺失時，系統(tǒng)依然能夠獲得充足的電力供應(yīng)。當(dāng)外部電源斷開時，電池可以迅速為系統(tǒng)供電，避免設(shè)備關(guān)機(jī)或出現(xiàn)故障。
• USB 即插即用電源傳輸：支持 USB On - The - Go 功能，無需額外組件即可向 USB 端口提供 5V 電源。這使得設(shè)備可以作為電源為其他 USB 設(shè)備充電，增加了設(shè)備的使用場景和實用性。

2. 詳細(xì)的電氣特性

• 輸入電源電壓：輸入電源電壓范圍為 4.35V 至 5.5V，能夠適應(yīng)不同的電源環(huán)境。
• 充電電流與電壓設(shè)置：提供了多種充電電流和電池浮動電壓的設(shè)置選項，可通過 (I^{2} C) 進(jìn)行靈活選擇。例如，充電電流可以在 12.5% 至 100% 的范圍內(nèi)進(jìn)行調(diào)整，電池浮動電壓有 4.05V、4.10V、4.15V 和 4.20V 四個可選設(shè)置，滿足不同電池的充電需求。
• 其他特性：還具備輸入靜態(tài)電流、電池放電電流、輸入電流限制等一系列電氣特性，確保芯片在各種工作條件下都能穩(wěn)定運(yùn)行。

三、引腳功能解讀

LTC4155 共有 29 個引腳，每個引腳都有其特定的功能，下面為大家介紹幾個關(guān)鍵引腳：

• SDA（Pin 1）和 SCL（Pin 28）：這兩個引腳構(gòu)成了 (I^{2} C) 串行端口的數(shù)據(jù)輸入/輸出和時鐘輸入，用于與外部設(shè)備進(jìn)行通信和控制。通過 (I^{2} C) 接口，我們可以方便地對芯片的各種參數(shù)進(jìn)行設(shè)置和讀取。
• DVCC（Pin 2）：為 (I^{2} C) 串行端口提供邏輯電源，同時設(shè)置 SDA 和 SCL 引腳的參考電平，確保 (I^{2} C) 通信的穩(wěn)定性。
• IRQ（Pin 3）：是一個開漏中斷輸出引腳，當(dāng)芯片內(nèi)部發(fā)生各種可屏蔽的狀態(tài)變化事件時，可以通過該引腳向外部設(shè)備發(fā)出中斷信號，提醒進(jìn)行相應(yīng)的處理。
• ID（Pin 4）：用于 USB A 設(shè)備檢測。當(dāng)連接到迷你或微型 USB 連接器時，該引腳可以檢測到 USB 電纜的 “A” 端是否連接到產(chǎn)品。如果該引腳被拉低，并且 (I^{2} C) 端口中的 LOCKOUT_IDPIN 位未設(shè)置，則開關(guān)式 PowerPath 將反向操作，從電池向 (V{BUS}) 引腳提供 USB 電源，實現(xiàn) USB On - The - Go 功能。
• CLPROG1（Pin 5）和 CLPROG2（Pin 6）：這兩個引腳用于設(shè)置 (V{BUS}) 電流限制。通過連接不同阻值的電阻到地，可以精確控制從 (V{BUS}) 引腳吸取的電流上限，滿足不同應(yīng)用場景下對輸入電流的要求。
• WALLSNS（Pin 7）和 USBSNS（Pin 8）：分別是最高優(yōu)先級和最低優(yōu)先級的多路復(fù)用器輸入以及過壓保護(hù)檢測輸入。通過連接到相應(yīng)的輸入電源連接器和外部 MOSFET 晶體管，實現(xiàn)對輸入電源的監(jiān)測和保護(hù)。當(dāng)檢測到輸入電壓超過安全閾值時，相應(yīng)的保護(hù)機(jī)制將被觸發(fā)，防止芯片受到損壞。
• USBGT（Pin 9）和 WALLGT（Pin 11）：是過壓保護(hù)和優(yōu)先多路復(fù)用器的柵極輸出引腳，用于控制外部 N 溝道 MOSFET 通晶體管的導(dǎo)通和關(guān)斷，實現(xiàn)對輸入電源的切換和保護(hù)。
• BATGATE（Pin 17）：用于控制外部 P 溝道 MOSFET 晶體管的柵極，實現(xiàn)對鋰離子電池的充電和為 (Vout) 提供電源的功能。當(dāng)系統(tǒng)負(fù)載超過可用輸入功率時，該引腳可以調(diào)節(jié) MOSFET 的導(dǎo)通狀態(tài)，確保系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。
• PROG（Pin 18）：是充電電流編程和監(jiān)測引腳，通過連接一個電阻到地，可以設(shè)置最大電池充電速率。同時，該引腳的電壓還可以反映實際的充電電流，方便進(jìn)行監(jiān)測和控制。

四、工作模式與操作原理

1. 輸入電流受限的降壓式開關(guān)充電器

電源從 (V{BUS}) 傳輸?shù)?(V{OUT}) 由一個 2.25MHz 恒定頻率的降壓式開關(guān)穩(wěn)壓器控制。該穩(wěn)壓器會根據(jù)電池電壓、電池充電電流、輸出電壓、輸入電流、輸入欠壓和外部 PMOS 充電器 FET 功率耗散等六個調(diào)節(jié)環(huán)路中的任何一個來降低輸出功率。在 USB 低功率（100mA）和 USB 暫停（2.5mA）模式下，開關(guān)穩(wěn)壓器會被禁用，功率通過線性穩(wěn)壓器傳輸。

2. 電池浮動電壓調(diào)節(jié)

當(dāng)電池充電器啟用時，開關(guān)穩(wěn)壓器會降低其輸出功率，以防止 (V{BATSNS}) 超過編程的電池浮動電壓 (V{FLOAT})。通過 (I^{2} C) 接口的 VFLOAT[1:0] 位，可以從四個可能的選擇中選擇浮動電壓，分別為 4.05V、4.10V、4.15V 和 4.20V。

3. 電池充電電流調(diào)節(jié)和低電池涓流充電

開關(guān)穩(wěn)壓器還會降低其輸出功率，以將電池充電電流 (I{CHARGE}) 限制在編程的最大值。電池充電電流的編程通過一個連接在 PROG 和地之間的電阻 (R{PROG}) 來設(shè)置默認(rèn)最大充電電流，再結(jié)合 (I^{2} C) 可調(diào)節(jié)功能來選擇性地降低編程充電電流?？梢酝ㄟ^采樣 PROG 引腳電壓來確定電池充電電流： [I{BAT}=frac{V{PROG}}{R_{PROG}} cdot 1000] 當(dāng)電池電壓低于大約 3.25V 時，充電電流調(diào)節(jié)伺服電壓會逐漸降低，以保護(hù)外部 PMOS 晶體管免受過載損壞，并對過度耗盡的電池進(jìn)行涓流充電，延長電池壽命。

4. (V_{OUT}) 電壓調(diào)節(jié)

當(dāng)電池充電器啟用時，(V{OUT}) 會通過內(nèi)部充電電流檢測電阻和外部 PMOS 電池 FET 連接到 BATSNS。LTC4155 會盡量防止 (V{OUT}) 在電池深度放電時低于大約 3.5V，以確保系統(tǒng)能夠即時啟動。如果系統(tǒng)負(fù)載加上電池充電器負(fù)載超過可用輸入功率，電池充電電流將被犧牲，以優(yōu)先保障系統(tǒng)負(fù)載，并維持開關(guān)穩(wěn)壓器的輸出電壓，同時仍遵守輸入電流限制。

5. 輸入電流調(diào)節(jié)

為滿足可用電源（USB/壁式適配器）的最大負(fù)載規(guī)格，開關(guān)穩(wěn)壓器包含一個測量和控制系統(tǒng)，確保平均輸入電流低于在 CLPROG1 或 CLPROG2 引腳以及 (I^{2} C) 端口上編程的水平。通過連接一個推薦值的 1% 容差電阻到 CLPROG1 和 CLPROG2 引腳，可以保證符合 2.5mA、100mA、500mA 和 900mA 的 USB 2.0/3.0 電流規(guī)格，同時還允許通過 (I^{2} C) 選擇其他高達(dá) 3A 的電流限制。

6. 輸入欠壓電流限制

LTC4155 可以承受與輸入電源的電阻連接，當(dāng) (V_{BUS}) 引腳電壓降至 4.3V 時，自動減少功率傳輸，防止可能的欠壓鎖定（UVLO）振蕩。該欠壓電流限制功能可以通過 (I^{2} C) 使用 DISABLE_INPUT_UVCL 位禁用。

7. USB On - The - Go 5V 升壓轉(zhuǎn)換器

LTC4155 的開關(guān)穩(wěn)壓器可以反向操作，從電池向 (V{BUS}) 輸送功率，同時將 (V{BUS}) 電壓升壓到 5V。該模式可以通過監(jiān)測 USB 電纜的 ID 引腳自動啟動，或者通過 (I^{2} C) 命令 REQUEST_OTG 直接啟用。在 USB - OTG 模式下，開關(guān)穩(wěn)壓器可以支持高達(dá) 500mA 的 USB 高功率負(fù)載，并能在檢測到故障時限制電流并關(guān)閉通道。

8. 其他工作模式

• 100mA 線性電池充電器模式：支持 USB 低功率操作，總輸入電流保證低于 100mA。在該模式下，降壓式開關(guān)穩(wěn)壓器不工作，由線性穩(wěn)壓器為 (V_{OUT}) 和電池提供功率。
• 2.5mA 線性暫停模式：當(dāng)產(chǎn)品連接到暫停的 USB 端口時，LTC4155 可以從 (V{BUS}) 向 (V{OUT}) 提供少量電流，以減少電池放電。在該模式下，電池充電將被禁用。
• 理想二極管和最小 (V_{OUT}) 控制器模式：通過理想二極管控制器確保系統(tǒng)在輸入功率缺失或不足時仍能獲得足夠的電力供應(yīng)。當(dāng)輸入功率可用時，PMOS 柵極通常會接地，以實現(xiàn)開關(guān)穩(wěn)壓器和電池之間的最大導(dǎo)通效率；當(dāng)電池深度放電時，會自動增加開關(guān)穩(wěn)壓器和電池之間的阻抗，防止 (V_{OUT}) 低于大約 3.5V。
• 低功率運(yùn)輸和儲存模式：在該模式下，LTC4155 可以將其極低的待機(jī)電流降低到大約 1μA。通過將外部 PMOS 柵極驅(qū)動到電池電壓，可以禁用 FET 導(dǎo)通，切斷對 (V_{OUT}) 下游負(fù)載的所有電源，最大限度地延長產(chǎn)品制造和銷售之間的電池壽命。

五、I2C 接口與通信協(xié)議

1. (I^{2} C) 接口概述

LTC4155 通過標(biāo)準(zhǔn)的 (I^{2} C) 2 線接口與總線主控器進(jìn)行通信。SDA 和 SCL 兩條總線線在總線未使用時必須為高電平，需要外部上拉電阻或電流源來確保通信的正常進(jìn)行。芯片既是從接收器又是從發(fā)射器，(I^{2} C) 控制信號 SDA 和 SCL 在內(nèi)部會根據(jù) DVCC 電源進(jìn)行縮放，因此 DVCC 應(yīng)連接到與總線上拉電阻相同的電源。

2. 通信協(xié)議細(xì)節(jié)

• 總線速度：(I^{2} C) 端口設(shè)計為最高可在 400kHz 的速度下運(yùn)行，內(nèi)置了定時延遲，以確保從 (I^{2} C) 兼容主設(shè)備尋址時的正確操作，同時還包含輸入濾波器，用于抑制干擾。
• START 和 STOP 條件：總線主控器通過發(fā)送 START 條件來啟動通信，START 條件是在 SCL 為高電平時，SDA 從高電平轉(zhuǎn)變?yōu)榈碗娖?。主控器可以發(fā)送從設(shè)備寫地址或從設(shè)備讀地址。數(shù)據(jù)寫入 LTC4155 后，主控器可以發(fā)送 STOP 條件，命令 LTC4155 執(zhí)行新的命令集，STOP 條件是在 SCL 為高電平時，SDA 從低電平轉(zhuǎn)變?yōu)楦唠娖健?/li>
• 字節(jié)格式：每個發(fā)送到或從 LTC4155 接收的幀必須為 8 位長，后面跟著一個額外的時鐘周期用于確認(rèn)位。數(shù)據(jù)應(yīng)先發(fā)送最高有效位（MSB）。
• 主設(shè)備和從設(shè)備的角色：連接到 (I^{2} C) 總線的設(shè)備可以分為主設(shè)備和從設(shè)備。主設(shè)備負(fù)責(zé)發(fā)起通信，控制 SCL 時鐘信號；從設(shè)備則響應(yīng)主設(shè)備的請求。在通信過程中，發(fā)送器負(fù)責(zé)控制 SDA 線在每個幀的 8 位數(shù)據(jù)部分，接收器負(fù)責(zé)控制 SDA 線在每個幀的第九個也是最后一個確認(rèn)時鐘周期。
• 確認(rèn)信號：確認(rèn)信號（ACK）用于發(fā)送器和接收器之間的握手。當(dāng) LTC4155 被寫入時，它會作為從接收器確認(rèn)其寫地址以及后續(xù)的數(shù)據(jù)字節(jié)；當(dāng)被讀取時，它會作為從接收器確認(rèn)其讀地址。在讀取操作中，根據(jù) (I^{2} C) 規(guī)范，主接收器在讀取最后一個數(shù)據(jù)字節(jié)后應(yīng)發(fā)送一個非確認(rèn)（NACK）信號，以指示從發(fā)送器釋放總線控制權(quán)，但由于 LTC4155 無論如何都會在發(fā)送一個字節(jié)的數(shù)據(jù)后釋放總線，因此主設(shè)備發(fā)送 ACK 或 NACK 信號并無實際影響。
• 從設(shè)備地址：LTC4155 響應(yīng)一個 7 位的地址，該地址已在工廠編程為 0b0001_001[R/W]。地址字節(jié)的最低有效位（LSB）為讀/寫位，寫數(shù)據(jù)到 LTC4155 時應(yīng)為 0，從 LTC4155 讀取數(shù)據(jù)時應(yīng)為 1。因此，寫地址為 0x12，讀地址為 0x13，LTC4155 會確認(rèn)其讀和寫地址。
• 子地址訪問：LTC4155 有四個命令寄存器用于控制輸入，三個狀態(tài)寄存器用于狀態(tài)報告。通過 (I^{2} C) 端口的子地址指針系統(tǒng)可以訪問這些寄存器，每個子地址值指向 LTC4155 內(nèi)的七個控制或狀態(tài)寄存器之一。子地址指針在總線寫操作中總是緊跟在 LTC4155 寫地址之后的第一個字節(jié)寫入，其值在總線寫操作后會保留，并在后續(xù)的總線讀操作中確定 LTC4155 返回的數(shù)據(jù)字節(jié)。
• 總線寫操作：總線主控器通過發(fā)送 START 條件和 LTC4155 的寫地址來啟動與 LTC4155 的通信。如果地址匹配，LTC4155 會返回一個確認(rèn)信號。然后，總線主控器應(yīng)發(fā)送子地址，子地址值在 LTC4155 返回子地址確認(rèn)位后會被傳輸?shù)揭粋€特殊的指針寄存器中。如果主控器希望繼續(xù)寫事務(wù)，可以接著發(fā)送數(shù)據(jù)字節(jié)，數(shù)據(jù)字節(jié)在 LTC4155 確認(rèn)數(shù)據(jù)字節(jié)時會被傳輸?shù)阶拥刂分羔標(biāo)赶虻膬?nèi)部待處理數(shù)據(jù)寄存器中。主控器可以在任何偶數(shù)或奇數(shù)個字節(jié)后通過重復(fù) START 或 STOP 條件終止與 LTC4155 的通信。
• 總線讀操作：LTC4155 包含七個可讀寄存器，其中三個為只讀寄存器，包含狀態(tài)信息；四個包含控制信息，可以由總線主控器進(jìn)行寫入和讀取。在每次總線讀操作中，只有七個子地址數(shù)據(jù)寄存器中的一個可以訪問，LTC4155 返回的數(shù)據(jù)來自子地址指針寄存器內(nèi)容所指向的數(shù)據(jù)寄存器。為準(zhǔn)備總線讀操作，總線主控器可能會在只發(fā)送奇數(shù)個字節(jié)后通過 STOP 或重復(fù) START 條件提前終止寫事務(wù)，最后發(fā)送的字節(jié)代表對后續(xù)總線讀操作感興趣的寄存器的指針?？偩€主控器通過發(fā)送 START 或重復(fù) START 條件，然后發(fā)送 LTC4155 讀地址來從 LTC4155 讀取狀態(tài)數(shù)據(jù)。如果讀地址匹配，LTC4155