两个开关稳压器的USB电池充电器
1、概述
凌力尔特（Linear Technology）推出的LTC3558型USB电池充电器，带有两个开关稳压器，适合于在手持式设备中应用。LTC3558的充电器，采用恒流/恒压算法，可以从USB电源汲取功率，也可以利用墙上AC适配器对单节锂离子/聚合物电池充电，可编程最大充电电流达950mA。LTC3558的降压开关稳压器和降压-升压开关稳压器，在2.25MHz的固定频率上操作，输出电压可编程，效率高于90%，能分别提供400mA的电流，为微控制器内核、微控制器I/O、存储器、磁盘驱动器或其它逻辑电路加电。
2、LTC3558封装、内部结构及引脚功能
LTC3558采用3mm×3mm×0.75mm的21引脚QFN封装，引脚排列如图1所示。
图1 LTC3558引脚排列
LTC3558含有一个线性USB电池充电器、一个电流模式降压（buck）开关稳压器和一个电压模式降压-升压（buck-boost）开关稳压器，其内部电路组成框图如图２所示。
图2 LTC3558内部电路
LTC3558各个引脚功能简述如表1所示。
表1 LTC3558引脚功能
3、LTC3558功能与工作原理
3.1 电池充电器
3.1.1 欠电压锁定（UVLO）
IC（LTC3558）的UVLO电路监视输入电压Vcc，其值范围为4.3~5.5V。在Vcc升高到VUVLO（4V）以上之前，充电器失能；当Vcc降落到电池电压VBAT的50mV之内时，充电器也将失效。
3.1.2 暂停模式
通过将IC引脚SUSP上拉到1.2V以上，充电器同样会失效。在暂停模式，电池仅吸收1.5μA的电流，输入电流Icc减小到8. 5μA。
3.1.3 编程充电电流
连接在IC引脚PROG上与地之间的电阻RPROG可以编程满标度（full-scale）充电电流（即在恒流模式充电电流的100%），计算公式为ICHG=800V/RPROG。
在恒流模式，若将IC引脚HPWR拉至高电平，引脚PROG上的电压VPROG=1V，对应于用满标度电流充电；若引脚HPWR为低电平，VPROG则为0.2V，相应的充电电流为满标度电流（C）的20%（即0.2C）。
3.1.4 充电时序
在充电周期开始时，充电器首先确定电池是否深度放电。如果电池电压低于2.9V，充电器则自动进行涓流充电，充电电流为满标度电流的10%（即0.1C）。如果电池电压在2.9V以下持续时间达0.5h以上，充电器则终止充电。
如果VBAT>2.9V，充电器则在恒流模式开始充电。当VBAT>4.105V时，充电器的充电电流将大大减小，则进入恒压充电模式。如果IC内部4h的安全定时器期满，电池充电将停止。如果电池电压VBAT降至4.105V以下，充电器将自动开始重新充电。
在充电过程中，如果芯片温度约达115℃，充电器将减小已编程的充电电流，以防止IC及其周围功率元件因过热而损坏。
3.1.5 充电状态指示
IC引脚 通过微处理器或人工接口可以指示正在充电、不充电、电池无反应和电池温度超出范围四种可能状态中的一种。比较简单的方法是利用LED作为指示器，将其串联一个限流电阻连接在IC引脚 与Vcc之间。
当充电开始后，IC引脚 为低电平，LED导通而被点亮，无闪烁现象发生。
当充电电流降至满标度电流的10%（即0.1C）以下时，引脚 释放，呈现高阻抗，LED熄灭。
如果IC引脚NTC外部的NTC热敏电阻出现故障，使电池温度超出范围，LED将出现闪烁，频率为1.5Hz，人眼很容易识别。
如果电池已坏或不良（电池电压在2.9V以下超过0.5h），LED将在6.1Hz的频率上闪烁，频闪速率比NTC热敏电阻故障要快得多。
3.1.6 用NTC热敏电阻测量电池温度
电池充电时的温度可利用NTC热敏电阻来测量，典型电路如图3所示。
图3 典型NTC热敏电阻电路
图中，RNTC为NTC热敏电阻，应将其紧贴电池盒。RNTC在25℃时的电阻值R25=100kΩ，与偏置电阻RNOM值相等。IC引脚NTC内部较低温度（冷态）门限为0.765Vcc，较高温度（热态）门限为0.349Vcc（此时阻值降低），使能门限为0.017Vcc。
设RNTC热解扣点和冷解扣点时的电阻值分别是RHOT和RCOLD，RHOT和RCOLD与R25之比率分别是rHOT和rCOLD，根据图3可得：
由式（1）和式（2）得：
RHOT=0.536RNOM （3）
RCOLD=3.25RNOM （4）
RNOM=R25=100kΩ条件下，rHOT=0.536，rCOLD=3.25。对于Vishay公司的NTHS0603N011-N1003F来说，当温度升高其电阻值降至R25（100kΩ）的0.536倍（约54kΩ）时，相应的温度约为40℃，充电器将暂停充电；当RNTC电阻值增加到R25的3.25倍（即325kΩ）时，对应的温度是0℃，充电器也会中止充电。很显然，只有当电池温度高于0℃而低于40℃时，充电器才会充电。
如图4所示，如果RNTC再加进一个偏置电阻R1，则可以将解扣点温度改变。若冷和热解扣点设置在0℃和45℃，根据Vishay公司提供的数据，rCOLD=3.266，rHOT=0.4368，偏置电阻RNOM值为：
误差最接近1%的电阻值是105kΩ。
附加电阻R1值为：
R1=0.536RNOM-rHOT?R25=0.536×105kΩ-0.436×100kΩ=12.6kΩ
误差最接近1%的电阻值是12.7kΩ。
RNOM和R1按以上计算结果选择，当电池温度升至45℃或降为0℃时，充电器都将暂停充电。
图4 带附加偏置电阻的NTC
3.2 降压开关稳压器
LTC3558的电流模式降压开关稳压器主要由PWM控制器、主开关P沟道MOSFET（MP）、N沟道MOSFET（MN）同步整流器及误差放大器等组成，如图5所示。
图5 降压开关稳压器电路
LTC3558还含有软启动、短路保护和减小辐射EM1的开关节点摆幅限制电路。
降压稳压器可以提供直到400mA的电流，最低输出电压为0.8V。降压稳压器输出电压可通过IC引脚FB1上的R1/R2来编程，其值为VOUT=0.8V（1+R1+R2）。R1取值范围为40kΩ~1MΩ，CFB容量在2PF与22PF之间。
通过IC引脚MODE，可以设置开关稳压器的突发操作模式或脉冲跳越模式。
3.2.1 脉冲跳越模式（Pulse Skip Mode）
在脉冲跳越模式，误差放大器调节峰值电感器电流，以交付所需要的输出功率。在轻载时，在每个脉冲上电感电流可以达到零（关断同步整流器MIN），在不连续模式操作。在非常轻的负载下，降压开关稳压器将会自动跳过脉冲，以维持输出电压调节。在高占空因数（VOUT>PVIN1/2）时，电感电流可能会反向，致使降压变换器开关连续。欲利用脉冲跳越模式，需使IC引脚MODE保持低电平。
3.2.2 突发模式（Burst Mode）
将IC引脚MODE拉至高电平，降压变换器将在突发模式操作，自动在固定频率PWM操作与滞后控制之间转换。当输出电容的充电电压稍高于调节点时，降压变换器则自动进入睡眠模式。在睡眠模式，开关稳压器的大多数电路将切断电源，因此在轻载时有着比脉冲跳跃模式更高的效率。
3.3 降压-升压开关稳压器
LTC3558的降压-升压开关稳压器在电压模式和2.25MHz的固定频率上操作，能提供直到400mA的输出负载电流，输出电压可在2.75V与5.45V之间来编程，其值为VOUT2=0.8V(1+R1+R2)。R1与R2为IC引脚FB2上的分压器电阻，如图6所示。
当输入电压远高于输出电压时，稳压器工作在降压模式；当输入电压远低于输出电压时，稳压器则在升压模式操作。
3.3.1 PWM操作模式与突发模式操作
通过将IC引脚保持低电平，降压-升压变换器将进入PWM操作模式。在适度的重载条件下，在定频PWM操作有着最小的开关噪声。
若将IC引脚MODE拉至高电平，稳压器将进入突发模式。在较轻的负载下，在突发模式操作，输出电流被限制在50mA。当输出电容上的充电电压稍高于调节点时，稳压器则进入睡眠模式。在突发模式操作，能使开关损耗大大降低，易于满足轻载效率标准要求。
3.3.2 环路补偿
降压-升压开关稳压器可以采用简单的I型补偿（见图7）
IC引脚FB2是误差放大器反相输入端，引脚VC2是误差放大器输出端。误差放大器单位增益频率fUG可表示为：
图8所示为误差放大器环路的III型补偿网络，其传输函数为：
图8 III型补偿电路
式中，s为传输系数。
III型补偿网络可获得较大的频带宽度，改善瞬态响应，减小启动时VOUT2产生的过冲。对于3.3V的输出，补偿元件推荐值分别为：R1=324kΩ，RFB=105 kΩ，C1=10pF，R2=15 kΩ，C2=330pF，R3=121 kΩ，C3=33pF及COUT=22μF和LOUT=2. 2μH。
4、实际应用电路
LTC3558可以在没有电池连接到引脚BAT上的情况下操作，如图9所示。
图9 LTC3558可以在无电池连接时操作
降压开关稳压器输出为1.8V（@400mA），降压-升压开关稳压器输出为3.3V（@400mA）。在IC引脚SWAB2与SWCD2之间连接的2.2μH的电感器为降压-升压稳压器的输出电感器。NTC热敏电阻（R25=100kΩ）的偏置电阻分别为110kΩ和28.7kΩ，故充电器的热和冷解扣点分别设置在55℃和0℃。在IC引脚BAT上连接的1Ω的电阻和4.7μF的电容，可保证充电器稳定。
从墙上AC适配器加电的LTC3558应用电路如图10所示。
图10 从墙上适配器加电的应用电路
其充电器的充电电流可达950mA，降压开关稳压器的输出为1.2V（@400mA），降压-升压开关稳压器的输出为3.3V（@400mA）。充电器通过NTC热敏电阻将电池温度解扣点设置在0℃和40℃，LED用作充电状态指示。
5、结束语
LTC3558是一种带两个高效开关稳压器的USB充电器，它是为应用于小功率手持式设备而专门设计的。直达950mA的可编程充电电流可对单节锂离子或聚合物电池充电，在充电过程中电池状态被监视，4h的安全定时器期满时控制充电器终止。利用NTC热敏电阻来测量电池温度并设置电池充电时的温度范围。LTC3558降压和降压-升压开关稳压器输出电压均可编程，效率高于90%，分别能提供直到400mA的输出电流，为微控制器内核及其I/O、存储器、磁盘驱动器或其它逻辑电路供电。