LT1513/LT1513 - 2：多功能電池充電器芯片的深度解析

在電子設(shè)備的設(shè)計(jì)中，電池充電器的性能至關(guān)重要。今天我們要深入探討的是凌力爾特（Linear Technology）公司的 LT1513/LT1513 - 2 芯片，這是一款專為電池充電設(shè)計(jì)的高性能芯片，具有諸多獨(dú)特的特性和廣泛的應(yīng)用場(chǎng)景。

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一、芯片特性亮點(diǎn)

1. 靈活的輸入電壓適應(yīng)性

LT1513/LT1513 - 2 的充電器輸入電壓可以高于、等于或低于電池電壓，這一特性使得它在不同的電源環(huán)境下都能穩(wěn)定工作，大大提高了其適用性。它能夠?yàn)槎噙_(dá) 20V 的任意數(shù)量的電池單元充電，無論是單節(jié)鋰電池還是多節(jié)電池組，都能輕松應(yīng)對(duì)。

2. 高精度的充電控制

對(duì)于可充電鋰電池，該芯片具有 1% 的電壓精度，能夠精確地控制充電過程，確保電池的安全和壽命。同時(shí)，LT1513 具有 100mV 的電流檢測(cè)電壓，實(shí)現(xiàn)了高效率的充電；而 LT1513 - 2 則具有 0mV 的電流檢測(cè)電壓，方便進(jìn)行電流編程。

3. 低功耗與小型化設(shè)計(jì)

電池可以直接接地，簡(jiǎn)化了電路設(shè)計(jì)。500kHz 的開關(guān)頻率有效地減小了電感的尺寸，使得充電器的體積更小，更適合應(yīng)用于小型電子設(shè)備中。此外，充電電流可以輕松編程或關(guān)閉，實(shí)現(xiàn)了靈活的充電控制。

二、應(yīng)用領(lǐng)域廣泛

1. 電池充電

可用于鎳鎘（NiCd）、鎳氫（NiMH）、鉛酸或鋰可充電電池的充電，滿足不同類型電池的充電需求。

2. 電源供應(yīng)

可以作為精密電流限制電源，以及恒壓/恒流電源，為電子設(shè)備提供穩(wěn)定的電源。

3. 其他應(yīng)用

還可用于傳感器激勵(lì)和通用輸入冷陰極熒光燈（CCFL）驅(qū)動(dòng)器等領(lǐng)域。

三、芯片工作原理

1. 電流模式控制

LT1513 是一款電流模式開關(guān)調(diào)節(jié)器，開關(guān)占空比直接由開關(guān)電流控制，而不是由輸出電壓或電流控制。在每個(gè)振蕩器周期開始時(shí)，開關(guān)導(dǎo)通；當(dāng)開關(guān)電流達(dá)到預(yù)定水平時(shí)，開關(guān)關(guān)閉。通過使用雙反饋電壓傳感誤差放大器的輸出設(shè)置開關(guān)電流跳閘水平，實(shí)現(xiàn)對(duì)輸出電壓和電流的控制，這種技術(shù)簡(jiǎn)化了環(huán)路頻率補(bǔ)償。

2. 獨(dú)特的誤差放大器設(shè)計(jì)

誤差放大器具有兩個(gè)反相輸入，分別用于感測(cè)輸出電壓和電流。1.245V 的帶隙基準(zhǔn)偏置同相輸入，為充電控制提供了精確的參考。

3. LT1513 - 2 的特殊設(shè)計(jì)

LT1513 - 2 移除了 IFB 放大器周圍的反饋電阻，并將其輸出連接到 FB 信號(hào)，提供了適合外部電流編程的接地參考電流檢測(cè)電壓，同時(shí)使放大器的輸入和輸出可用于外部環(huán)路補(bǔ)償。

四、典型應(yīng)用電路分析

1. SEPIC 充電器電路

SEPIC 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，它可以在輸入電壓高于、等于或低于電池電壓的情況下工作，并且在關(guān)閉時(shí)沒有電池放電路徑，消除了反激設(shè)計(jì)中的緩沖損耗。在圖 1 所示的 SEPIC 充電器電路中，通過 R3 產(chǎn)生相對(duì)于地的電流檢測(cè)電壓，該電壓與輸送到電池的電流相同。LT1513 的電流限制環(huán)路會(huì)在電池電壓低于由輸出分壓器 R1/R2 設(shè)置的電壓限制時(shí)，將 R3 兩端的電壓伺服到 - 100mV，從而實(shí)現(xiàn)恒流充電。

2. 鋰電池充電器電路

圖 8 展示了一個(gè)使用 LT1513 - 2 的鋰離子電池充電器電路，該電路可以提供可切換的 1.35A 和 0.13A 恒流模式。通過控制 IR5 的值，可以實(shí)現(xiàn)不同的充電電流設(shè)置。當(dāng)電池需要預(yù)充電時(shí)，Q1 導(dǎo)通，設(shè)置 0.13A 的恒流；當(dāng)達(dá)到充電電壓時(shí)，Q1 關(guān)閉，設(shè)置為 1.35A 的全充電電流。當(dāng)電池電壓接近 4.1V 時(shí)，電壓傳感網(wǎng)絡(luò)（R1, R2）開始驅(qū)動(dòng) VFB 引腳，將 LT1513 - 2 切換到恒壓模式。

3. CCFL 電源電路

圖 9 所示的 CCFL 電源電路使用 LT1513 - 2 驅(qū)動(dòng)冷陰極熒光燈。該電路能夠處理低至 2.7V 的輸入電壓，通過感測(cè) Royer 輸入電流并將負(fù)反饋信號(hào)應(yīng)用到 LT1513 的 IFB 引腳，實(shí)現(xiàn)對(duì)燈泡電流的調(diào)節(jié)。

五、關(guān)鍵元件選擇與設(shè)計(jì)要點(diǎn)

1. 電感選擇

L1A 和 L1B 通常是一個(gè)磁芯上的兩個(gè)相同繞組，典型值為 10μH。較低的電感值會(huì)導(dǎo)致較高的紋波電流，從而降低最大充電電流；較高的電感值可以提供稍高的最大充電電流，但體積更大且成本更高。建議使用低損耗的環(huán)形磁芯，如 Kool Mμ、Molypermalloy 或 Metglas，每個(gè)繞組的串聯(lián)電阻應(yīng)小于 0.04Ω。

2. 電容選擇

• 輸入電容：SEPIC 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的輸入紋波電流相對(duì)較低，建議使用低 ESR 的 22μF、25V 固體鉭電容。但要注意，固體鉭電容在高啟動(dòng)浪涌電流下可能會(huì)損壞，因此在可能出現(xiàn)這種情況時(shí)，應(yīng)選擇盡可能高的電壓額定值的電容。
• 輸出電容：假設(shè)電池充電器的所有開關(guān)輸出紋波電流都可能流入輸出電容，因此需要使用兩個(gè)并聯(lián)的 22μF、25V 電容來處理最大約 1A 的 RMS 電流。
• 耦合電容：C2 是耦合電容，允許 SEPIC 轉(zhuǎn)換器在輸入電壓高于或低于電池電壓的情況下工作。建議使用 4.7μF 的陶瓷電容，其具有極低的 ESR 和高紋波電流額定值。

  3. 二極管選擇

  開關(guān)二極管應(yīng)選擇肖特基類型，以最小化正向和反向恢復(fù)損耗。平均二極管電流與輸出充電電流相同，大多數(shù)應(yīng)用建議使用 3A 的二極管。同時(shí)，要注意二極管的反向泄漏電流，特別是在充電器關(guān)閉時(shí)，高泄漏電流會(huì)直接消耗電池電量。

六、電路穩(wěn)定性分析

1. 電壓模式環(huán)路穩(wěn)定性

在鋰離子和鉛酸電池充電的最后階段，LT1513 工作在恒壓模式。通過在芯片的 VC 引腳使用串聯(lián)電阻和電容來穩(wěn)定反饋環(huán)路。圖 6 展示了電壓環(huán)路的簡(jiǎn)化模型，該環(huán)路在大多數(shù)情況下具有極高的穩(wěn)定性，但在電池電阻非常大（>5Ω）或電池被電阻負(fù)載替代的情況下，可能會(huì)導(dǎo)致相位裕度降低。此時(shí)，添加 R5 可以提供良好的相位裕度，但要注意避免 R5 過高導(dǎo)致的恒流區(qū)域不穩(wěn)定和次諧波開關(guān)問題。

2. 恒流模式環(huán)路穩(wěn)定性

LT1513 在恒流模式下通常非常穩(wěn)定，但在某些條件下可能會(huì)出現(xiàn)不穩(wěn)定情況。例如，較高值的電流檢測(cè)電阻、較高的輸入電壓以及在 VC 引腳添加環(huán)路補(bǔ)償電阻（R5）可能會(huì)導(dǎo)致電流模式環(huán)路不穩(wěn)定。為了避免這種情況，建議將環(huán)路的單位增益頻率降低到 25kHz 或更低，可以通過增加 IFB 引腳的濾波時(shí)間常數(shù)（R4/C4）來實(shí)現(xiàn)。

七、總結(jié)

LT1513/LT1513 - 2 芯片以其靈活的輸入電壓適應(yīng)性、高精度的充電控制、低功耗和小型化設(shè)計(jì)等優(yōu)點(diǎn)，在電池充電和電源供應(yīng)領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。在設(shè)計(jì)電路時(shí)，需要根據(jù)具體的應(yīng)用需求，合理選擇關(guān)鍵元件，并注意電路的穩(wěn)定性分析。希望本文能為電子工程師在使用 LT1513/LT1513 - 2 芯片進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)提供有益的參考。大家在實(shí)際應(yīng)用中遇到過哪些問題呢？歡迎在評(píng)論區(qū)分享交流。