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(jì)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(lèi)便攜式設(shè)備提供可靠的電源管理和充電功能。

文件下載：LTC4155.pdf

一、LTC4155簡(jiǎn)介

LTC4155 是一款 15 瓦 (I^{2} C) 控制的電源管理器，具備 PowerPath? 即時(shí)導(dǎo)通操作、高效的開(kāi)關(guān)式電池充電功能，還能與 USB 完美兼容。它可以無(wú)縫地管理來(lái)自?xún)蓚€(gè) 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(kāi)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(duì)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(shí)保證設(shè)備的穩(wěn)定性。
• 雙輸入過(guò)壓保護(hù)：通過(guò)雙輸入過(guò)壓保護(hù)控制器，能夠有效防止因電壓過(guò)高而對(duì)芯片造成損壞。當(dāng)檢測(cè)到輸入電壓超過(guò)安全閾值時(shí)，會(huì)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(gè)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(jí)自動(dòng)選擇合適的電源輸入。例如，當(dāng)壁式適配器和 USB 端口同時(shí)連接時(shí)，它可以根據(jù)設(shè)定的規(guī)則優(yōu)先選擇其中一個(gè)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(hù)可以對(duì)輸入電流、充電電流、電池浮動(dòng)電壓、充電終止等多個(gè)參數(shù)進(jìn)行靈活調(diào)整，實(shí)現(xiàn)智能化的控制。同時(shí)，芯片還能實(shí)時(shí)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(cè)和調(diào)試。
• NTC 熱敏電阻 ADC：配備 NTC 熱敏電阻 ADC，可用于實(shí)現(xiàn)溫度相關(guān)的充電算法（JEITA）。在電池充電過(guò)程中，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電池溫度，當(dāng)溫度過(guò)高或過(guò)低時(shí)，自動(dòng)調(diào)整充電策略，確保電池的安全和壽命。
• 即時(shí)導(dǎo)通操作：在電池電量極低的情況下，也能實(shí)現(xiàn)即時(shí)導(dǎo)通操作，保證系統(tǒng)能夠立即啟動(dòng)。這對(duì)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(guò)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(shí)，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(kāi)時(shí)，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(wú)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(chǎng)景和實(shí)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(dòng)電壓的設(shè)置選項(xiàng)，可通過(guò) (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(dòng)電壓有 4.05V、4.10V、4.15V 和 4.20V 四個(gè)可選設(shè)置，滿(mǎn)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(gè)引腳，每個(gè)引腳都有其特定的功能，下面為大家介紹幾個(gè)關(guān)鍵引腳：

• SDA（Pin 1）和 SCL（Pin 28）：這兩個(gè)引腳構(gòu)成了 (I^{2} C) 串行端口的數(shù)據(jù)輸入/輸出和時(shí)鐘輸入，用于與外部設(shè)備進(jìn)行通信和控制。通過(guò) (I^{2} C) 接口，我們可以方便地對(duì)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(shí)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(gè)開(kāi)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(shí)，可以通過(guò)該引腳向外部設(shè)備發(fā)出中斷信號(hào)，提醒進(jìn)行相應(yīng)的處理。
• ID（Pin 4）：用于 USB A 設(shè)備檢測(cè)。當(dāng)連接到迷你或微型 USB 連接器時(shí)，該引腳可以檢測(cè)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(kāi)關(guān)式 PowerPath 將反向操作，從電池向 (V{BUS}) 引腳提供 USB 電源，實(shí)現(xiàn) USB On - The - Go 功能。
• CLPROG1（Pin 5）和 CLPROG2（Pin 6）：這兩個(gè)引腳用于設(shè)置 (V{BUS}) 電流限制。通過(guò)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(mǎn)足不同應(yīng)用場(chǎng)景下對(duì)輸入電流的要求。
• WALLSNS（Pin 7）和 USBSNS（Pin 8）：分別是最高優(yōu)先級(jí)和最低優(yōu)先級(jí)的多路復(fù)用器輸入以及過(guò)壓保護(hù)檢測(cè)輸入。通過(guò)連接到相應(yīng)的輸入電源連接器和外部 MOSFET 晶體管，實(shí)現(xiàn)對(duì)輸入電源的監(jiān)測(cè)和保護(hù)。當(dāng)檢測(cè)到輸入電壓超過(guò)安全閾值時(shí)，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(guò)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(shí)現(xiàn)對(duì)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(shí)現(xiàn)對(duì)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(guò)可用輸入功率時(shí)，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(cè)引腳，通過(guò)連接一個(gè)電阻到地，可以設(shè)置最大電池充電速率。同時(shí)，該引腳的電壓還可以反映實(shí)際的充電電流，方便進(jìn)行監(jiān)測(cè)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(kāi)關(guān)充電器

電源從 (V{BUS}) 傳輸?shù)?(V{OUT}) 由一個(gè) 2.25MHz 恒定頻率的降壓式開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器控制。該穩(wěn)壓器會(huì)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(gè)調(diào)節(jié)環(huán)路中的任何一個(gè)來(lái)降低輸出功率。在 USB 低功率（100mA）和 USB 暫停（2.5mA）模式下，開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器會(huì)被禁用，功率通過(guò)線性穩(wěn)壓器傳輸。

2. 電池浮動(dòng)電壓調(diào)節(jié)

當(dāng)電池充電器啟用時(shí)，開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器會(huì)降低其輸出功率，以防止 (V{BATSNS}) 超過(guò)編程的電池浮動(dòng)電壓 (V{FLOAT})。通過(guò) (I^{2} C) 接口的 VFLOAT[1:0] 位，可以從四個(gè)可能的選擇中選擇浮動(dòng)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(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器還會(huì)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(guò)一個(gè)連接在 PROG 和地之間的電阻 (R{PROG}) 來(lái)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(lái)選擇性地降低編程充電電流?？梢酝ㄟ^(guò)采樣 PROG 引腳電壓來(lái)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(shí)，充電電流調(diào)節(jié)伺服電壓會(huì)逐漸降低，以保護(hù)外部 PMOS 晶體管免受過(guò)載損壞，并對(duì)過(guò)度耗盡的電池進(jìn)行涓流充電，延長(zhǎng)電池壽命。

4. (V_{OUT}) 電壓調(diào)節(jié)

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

5. 輸入電流調(diào)節(jié)

為滿(mǎn)足可用電源（USB/壁式適配器）的最大負(fù)載規(guī)格，開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器包含一個(gè)測(cè)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(guò)連接一個(gè)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(shí)還允許通過(guò) (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(shí)，自動(dòng)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(guò) (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(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器可以反向操作，從電池向 (V{BUS}) 輸送功率，同時(shí)將 (V{BUS}) 電壓升壓到 5V。該模式可以通過(guò)監(jiān)測(cè) USB 電纜的 ID 引腳自動(dòng)啟動(dòng)，或者通過(guò) (I^{2} C) 命令 REQUEST_OTG 直接啟用。在 USB - OTG 模式下，開(kāi)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(cè)到故障時(shí)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(kāi)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(shí)，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(guò)理想二極管控制器確保系統(tǒng)在輸入功率缺失或不足時(shí)仍能獲得足夠的電力供應(yīng)。當(dāng)輸入功率可用時(shí)，PMOS 柵極通常會(huì)接地，以實(shí)現(xiàn)開(kāi)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(shí)，會(huì)自動(dòng)增加開(kāi)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(chǔ)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(guò)將外部 PMOS 柵極驅(qū)動(dòng)到電池電壓，可以禁用 FET 導(dǎo)通，切斷對(duì) (V_{OUT}) 下游負(fù)載的所有電源，最大限度地延長(zhǎng)產(chǎn)品制造和銷(xiāo)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(guò)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(shí)必須為高電平，需要外部上拉電阻或電流源來(lái)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(hào) SDA 和 SCL 在內(nèi)部會(huì)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(jì)為最高可在 400kHz 的速度下運(yùn)行，內(nèi)置了定時(shí)延遲，以確保從 (I^{2} C) 兼容主設(shè)備尋址時(shí)的正確操作，同時(shí)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(guò)發(fā)送 START 條件來(lái)啟動(dòng)通信，START 條件是在 SCL 為高電平時(shí)，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(xiě)地址或從設(shè)備讀地址。數(shù)據(jù)寫(xiě)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(shí)，SDA 從低電平轉(zhuǎn)變?yōu)楦唠娖健?/li>
• 字節(jié)格式：每個(gè)發(fā)送到或從 LTC4155 接收的幀必須為 8 位長(zhǎng)，后面跟著一個(gè)額外的時(shí)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(shí)鐘信號(hào)；從設(shè)備則響應(yīng)主設(shè)備的請(qǐng)求。在通信過(guò)程中，發(fā)送器負(fù)責(zé)控制 SDA 線在每個(gè)幀的 8 位數(shù)據(jù)部分，接收器負(fù)責(zé)控制 SDA 線在每個(gè)幀的第九個(gè)也是最后一個(gè)確認(rèn)時(shí)鐘周期。
• 確認(rèn)信號(hào)：確認(rèn)信號(hào)（ACK）用于發(fā)送器和接收器之間的握手。當(dāng) LTC4155 被寫(xiě)入時(shí)，它會(huì)作為從接收器確認(rèn)其寫(xiě)地址以及后續(xù)的數(shù)據(jù)字節(jié)；當(dāng)被讀取時(shí)，它會(huì)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(gè)數(shù)據(jù)字節(jié)后應(yīng)發(fā)送一個(gè)非確認(rèn)（NACK）信號(hào)，以指示從發(fā)送器釋放總線控制權(quán)，但由于 LTC4155 無(wú)論如何都會(huì)在發(fā)送一個(gè)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(hào)并無(wú)實(shí)際影響。
• 從設(shè)備地址：LTC4155 響應(yīng)一個(gè) 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(xiě)位，寫(xiě)數(shù)據(jù)到 LTC4155 時(shí)應(yīng)為 0，從 LTC4155 讀取數(shù)據(jù)時(shí)應(yīng)為 1。因此，寫(xiě)地址為 0x12，讀地址為 0x13，LTC4155 會(huì)確認(rèn)其讀和寫(xiě)地址。
• 子地址訪問(wèn)：LTC4155 有四個(gè)命令寄存器用于控制輸入，三個(gè)狀態(tài)寄存器用于狀態(tài)報(bào)告。通過(guò) (I^{2} C) 端口的子地址指針系統(tǒng)可以訪問(wèn)這些寄存器，每個(gè)子地址值指向 LTC4155 內(nèi)的七個(gè)控制或狀態(tài)寄存器之一。子地址指針在總線寫(xiě)操作中總是緊跟在 LTC4155 寫(xiě)地址之后的第一個(gè)字節(jié)寫(xiě)入，其值在總線寫(xiě)操作后會(huì)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(xiě)操作：總線主控器通過(guò)發(fā)送 START 條件和 LTC4155 的寫(xiě)地址來(lái)啟動(dòng)與 LTC4155 的通信。如果地址匹配，LTC4155 會(huì)返回一個(gè)確認(rèn)信號(hào)。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(huì)被傳輸?shù)揭粋€(gè)特殊的指針寄存器中。如果主控器希望繼續(xù)寫(xiě)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(shí)會(huì)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(gè)字節(jié)后通過(guò)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(gè)可讀寄存器，其中三個(gè)為只讀寄存器，包含狀態(tài)信息；四個(gè)包含控制信息，可以由總線主控器進(jìn)行寫(xiě)入和讀取。在每次總線讀操作中，只有七個(gè)子地址數(shù)據(jù)寄存器中的一個(gè)可以訪問(wèn)，LTC4155 返回的數(shù)據(jù)來(lái)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(huì)在只發(fā)送奇數(shù)個(gè)字節(jié)后通過(guò) STOP 或重復(fù) START 條件提前終止寫(xiě)事務(wù)，最后發(fā)送的字節(jié)代表對(duì)后續(xù)總線讀操作感興趣的寄存器的指針?？偩€主控器通過(guò)發(fā)送 START 或重復(fù) START 條件，然后發(fā)送 LTC4155 讀地址來(lái)從 LTC4155 讀取狀態(tài)數(shù)據(jù)。如果讀地址匹配，LTC4155