LTC1960：雙電池充電器/選擇器的卓越之選

在電子設(shè)備的設(shè)計(jì)中，電池管理系統(tǒng)至關(guān)重要，尤其是對(duì)于需要雙電池供電的便攜式產(chǎn)品。LTC1960作為一款高度集成的雙電池充電器/選擇器，為工程師們提供了強(qiáng)大而可靠的解決方案。今天，我們就來(lái)深入了解一下這款產(chǎn)品。

文件下載：LTC1960.pdf

一、LTC1960的特性亮點(diǎn)

1. 完整的雙電池系統(tǒng)

LTC1960構(gòu)成了一個(gè)完整的雙電池充電器/選擇器系統(tǒng)，通過(guò)串行SPI接口，外部微控制器能夠?qū)蓚€(gè)電池的狀態(tài)進(jìn)行控制和監(jiān)測(cè)，為電池管理提供了極大的便利。

2. 延長(zhǎng)運(yùn)行時(shí)間與縮短充電時(shí)間

• 同時(shí)放電：雙電池同時(shí)放電可將運(yùn)行時(shí)間典型延長(zhǎng)10%，有效提高了設(shè)備的續(xù)航能力。
• 同時(shí)充電：雙電池同時(shí)充電能將充電時(shí)間最多縮短50%，大大提高了充電效率。

3. 快速切換與過(guò)流保護(hù)

• 自動(dòng)PowerPath?切換：在小于10μs的時(shí)間內(nèi)自動(dòng)切換電源，防止電源中斷，確保設(shè)備穩(wěn)定運(yùn)行。
• 斷路器保護(hù)：具備過(guò)流保護(hù)功能，5%精度的適配器電流限制可使充電速率最大化。

4. 高效充電與低噪聲設(shè)計(jì)

• 高效同步降壓充電器：充電效率高達(dá)95%，且具有低至0.5V的壓降，減少了能量損耗。
• 無(wú)噪聲設(shè)計(jì)：即使使用陶瓷電容，也不會(huì)產(chǎn)生可聽(tīng)噪聲，為設(shè)備的安靜運(yùn)行提供保障。

5. 高精度DAC

• 11位VDAC：提供0.8%的電壓精度，確保充電電壓的精準(zhǔn)控制。
• 10位IDAC：提供5%的電流精度，實(shí)現(xiàn)充電電流的精確調(diào)節(jié)。

6. 寬電壓范圍與多種封裝

• 寬電壓輸入輸出：輸入電壓(V{IN})最高可達(dá)32V，電池電壓(V{BATT})最高可達(dá)28V，適應(yīng)多種電源和電池類型。
• 多種封裝形式：提供5mm × 7mm 38引腳QFN和36引腳窄SSOP封裝，滿足不同的PCB布局需求。

二、典型應(yīng)用場(chǎng)景

LTC1960適用于多種便攜式設(shè)備，如便攜式計(jì)算機(jī)和便攜式儀器等。在這些設(shè)備中，它能夠有效地管理雙電池的充電和供電，確保設(shè)備的穩(wěn)定運(yùn)行。

三、電氣特性詳解

1. 電源與參考特性

• DCIN工作范圍：DCIN選擇時(shí)，工作范圍為6V - 28V。
• DCIN工作電流：不充電時(shí)為1 - 1.5mA，充電時(shí)為1.3 - 2mA。
• 電池工作電壓范圍：電池選擇且PowerPath功能開(kāi)啟時(shí)，為6V - 28V。
• 電池漏電流：電池選擇且不充電，(V_{DCIN}=0V)時(shí)，為175μA。

2. 開(kāi)關(guān)調(diào)節(jié)器特性

• 整體電壓精度：在5V ≤ (V_{OUT}) < 25V時(shí)，為±0.8% - ±1%。
• 整體電流精度：IDAC值為3FF HEX，(V{CSP})，(V{CSN}=12V)時(shí)，為±5% - ±6%。
• 調(diào)節(jié)器開(kāi)關(guān)頻率：正常模式為255 - 345kHz，低壓差模式下為20 - 25kHz。

3. 其他特性

還包括DAC分辨率、開(kāi)關(guān)時(shí)間、閾值電壓等一系列電氣特性，這些特性共同保證了LTC1960的高性能和穩(wěn)定性。

四、引腳功能介紹

LTC1960的引腳功能豐富，涵蓋了輸入電源、電池充電、外部電源供應(yīng)、內(nèi)部電源供應(yīng)和數(shù)字接口等多個(gè)方面。

1. 輸入電源相關(guān)引腳

• SCN和SCP：用于PowerPath電流傳感，檢測(cè)短路電流事件。
• GDCO和GDCI：驅(qū)動(dòng)DCIN輸入和輸出開(kāi)關(guān)的柵極。
• GB1O、GB1I、GB2O、GB2I：分別驅(qū)動(dòng)BAT1和BAT2輸入和輸出開(kāi)關(guān)的柵極。

2. 電池充電相關(guān)引腳

• (V_{SET})：為充電器提供電池電壓反饋。
• ITH：控制電流模式PWM內(nèi)循環(huán)的信號(hào)。
• ISET：用于過(guò)濾delta - sigma IDAC的高頻分量。
• CSN和CSP：測(cè)量充電電流。
• COMP1：用于放大器CL1的補(bǔ)償。
• BGATE和TGATE：驅(qū)動(dòng)電池充電器降壓轉(zhuǎn)換器的MOSFET。
• BOOST：為頂部浮動(dòng)驅(qū)動(dòng)器供電。

3. 外部電源供應(yīng)引腳

• (V_{PLUS})：通過(guò)內(nèi)部二極管連接到DCIN、SCN、BAT1和BAT2引腳。
• BAT1和BAT2：連接兩個(gè)電池，為L(zhǎng)TC1960供電并提供電壓反饋。
• LOPWR和DCDIV：用于監(jiān)測(cè)系統(tǒng)電源狀態(tài)。
• DCIN：外部直流電源輸入。

4. 內(nèi)部電源供應(yīng)引腳

• GND：低功率電路的接地引腳。
• PGND：BGATE驅(qū)動(dòng)器的高電流接地返回引腳。
• (V_{CC})：內(nèi)部調(diào)節(jié)器輸出，需用2μF - 4.7μF電容旁路。

5. 數(shù)字接口引腳

• SSB、SCK、MISO和MOSI：構(gòu)成SPI接口，用于與外部微控制器通信。

五、工作原理剖析

1. 整體架構(gòu)

LTC1960由電池充電器控制器、充電MUX控制器、PowerPath控制器、SPI接口、10位電流DAC（IDAC）和11位電壓DAC（VDAC）組成。與低成本微處理器配合使用，可形成完整的雙電池充電器/選擇器系統(tǒng)。

2. 電池充電器控制器

采用恒定關(guān)斷時(shí)間、電流模式降壓架構(gòu)。通過(guò)多個(gè)控制環(huán)路，如平均電流控制環(huán)路、誤差放大器EA和放大器CL1等，實(shí)現(xiàn)對(duì)充電電流和電壓的精確控制。同時(shí)，具備過(guò)壓保護(hù)和充電抑制功能，確保充電過(guò)程的安全和穩(wěn)定。

3. 充電MUX開(kāi)關(guān)

充電MUX開(kāi)關(guān)能夠?qū)崿F(xiàn)雙電池同時(shí)充電，根據(jù)電池的相對(duì)容量和電壓自動(dòng)分配充電電流。當(dāng)CSN電壓與電池電壓滿足一定條件時(shí)，開(kāi)關(guān)會(huì)開(kāi)啟或關(guān)閉，防止反向電流流動(dòng)。

4. PowerPath控制器

通過(guò)SPI接口控制PowerPath開(kāi)關(guān)的開(kāi)啟和關(guān)閉。當(dāng)系統(tǒng)電壓下降時(shí)，能夠自動(dòng)切換到最高電壓的電源，確保系統(tǒng)的穩(wěn)定供電。同時(shí)，具備短路保護(hù)和快速PowerPath關(guān)斷功能，提高了系統(tǒng)的安全性。

5. SPI接口

SPI接口用于與外部微控制器通信，可寫入內(nèi)部PowerPath寄存器、充電器控制寄存器、電流DAC和電壓DAC，也能讀取內(nèi)部狀態(tài)寄存器。SPI通信有1字節(jié)和2字節(jié)兩種寫入命令以及2字節(jié)讀取命令，確保了通信的準(zhǔn)確性和可靠性。

六、應(yīng)用信息指南

1. 自動(dòng)電流共享

在雙并行充電配置中，LTC1960可根據(jù)電池的容量自動(dòng)分配充電電流，使兩個(gè)電池同時(shí)達(dá)到滿容量狀態(tài)。但實(shí)際電流共享會(huì)受到電池實(shí)際容量的影響，可能與制造商聲稱的容量有所不同。

2. 適配器限流

LTC1960能夠自動(dòng)調(diào)整充電電流，避免過(guò)載適配器。通過(guò)放大器CL1監(jiān)測(cè)適配器輸出電流，當(dāng)超過(guò)預(yù)設(shè)電流限制時(shí)，會(huì)降低充電電流，確保適配器的安全運(yùn)行。

3. 看門狗定時(shí)器

充電開(kāi)始后，若在看門狗定時(shí)器到期前未更新充電器寄存器，充電將停止。因此，需要以高于每秒一次的速率重復(fù)向充電器寄存器傳輸數(shù)據(jù)，以保證充電的持續(xù)進(jìn)行。

4. 電池充電相關(guān)問(wèn)題

• 充電耗盡電池：對(duì)于內(nèi)部有保護(hù)開(kāi)關(guān)的電池，當(dāng)電池電壓低于5V時(shí)，可使用IDAC的低電流模式進(jìn)行預(yù)充電，待電池檢測(cè)到充電后，再切換到正常模式。
• 不同電池充電：在雙充電模式下，對(duì)于不同充電終止電壓的電池，應(yīng)先選擇最低終止電壓的電池進(jìn)行充電，待電流流動(dòng)后再切換到雙充電模式。
• 充電終止問(wèn)題：對(duì)于采用恒流充電和基于電壓的充電終止方式的電池，可能會(huì)因適配器限流導(dǎo)致充電電流降低。此時(shí)，建議禁用輸入限流功能。

5. 元件選擇

• 輸出電流限制：通過(guò)(R{SNS}=0.1023 / I{MAX})設(shè)置IDAC的滿量程輸出電流。
• 電感選擇：較高的工作頻率可使用較小的電感和電容值，但會(huì)降低效率。建議將紋波電流設(shè)置為(Delta I{L}=0.4(I{MAX}))，且不超過(guò)(0.6(I_{MAX}))，最低電感值建議為10μH。
• MOSFET和二極管選擇：選擇邏輯級(jí)閾值MOSFET，注意(BvDss)規(guī)格。根據(jù)(R{DS(ON)})、(C{RSS})、輸入電壓和最大輸出電流等因素選擇合適的MOSFET。對(duì)于肖特基二極管，1A的二極管適用于4A調(diào)節(jié)器。
• 電容選擇：輸入電容需有足夠的紋波電流額定值，可選擇固體鉭電容或其他高容量陶瓷電容。輸出電容需吸收輸出開(kāi)關(guān)電流紋波，可根據(jù)公式計(jì)算電容電流。

6. PCB布局考慮

為了實(shí)現(xiàn)最高效率和減少電磁干擾，PCB布局應(yīng)遵循以下原則：

• 保持高頻環(huán)路路徑盡可能小而緊湊，避免使用過(guò)孔，將高頻環(huán)路置于單個(gè)外部PCB層。
• 平行布置長(zhǎng)電源走線，以實(shí)現(xiàn)最大電容耦合和共模噪聲抑制。
• 在開(kāi)關(guān)電路下方使用接地平面，以減少電容平面間的噪聲耦合。
• 分離信號(hào)或模擬接地，并通過(guò)單點(diǎn)連接將其連接到電源輸出地。
• 為(R_{SENSE})提供Kelvin連接，以提高電流編程精度。

七、總結(jié)

LTC1960憑借其豐富的特性、高性能的電氣參數(shù)和靈活的工作模式，為雙電池管理提供了全面而可靠的解決方案。在實(shí)際應(yīng)用中，工程師們需要根據(jù)具體的設(shè)計(jì)需求，合理選擇元件并優(yōu)化PCB布局，以充分發(fā)揮LTC1960的優(yōu)勢(shì)。大家在使用LTC1960的過(guò)程中，有沒(méi)有遇到過(guò)一些特別的問(wèn)題呢？歡迎在評(píng)論區(qū)分享你的經(jīng)驗(yàn)和見(jiàn)解。