LTC4085-3/LTC4085-4：便攜式設備的高效USB電源管理與電池充電解決方案

在當今便攜式電子設備飛速發(fā)展的時代，高效的電源管理和可靠的電池充電技術(shù)是確保設備性能和用戶體驗的關(guān)鍵。LTC4085-3/LTC4085-4作為Linear Technology推出的一款USB電源管理器和鋰離子/聚合物電池充電器，為便攜式電池供電應用提供了出色的解決方案。本文將深入剖析LTC4085-3/LTC4085-4的特性、應用、工作原理以及相關(guān)設計要點，希望能為電子工程師們在電源管理和電池充電設計方面提供有價值的參考。

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一、產(chǎn)品概述

LTC4085-3/LTC4085-4專為便攜式電池供電應用而設計，集USB電源管理和鋰離子/聚合物電池充電功能于一體。它能夠控制USB外設用于操作和電池充電的總電流，可將總輸入電流限制為編程值的20%或100%，最高可達1.5A（典型值為100mA或500mA）。同時，電池充電電流會自動調(diào)整，以確保負載電流和充電電流之和不超過編程的輸入電流限制。

二、主要特性

2.1 電源無縫切換

該芯片能夠在鋰離子/聚合物電池、USB和5V壁式適配器等輸入電源之間實現(xiàn)無縫切換。內(nèi)部的215mΩ理想二極管以及可選的外部理想二極管控制器，提供了低損耗的PowerPath?，即使在壁式適配器/USB輸入缺失的情況下，也能保證設備的穩(wěn)定供電。

2.2 負載相關(guān)充電

負載相關(guān)充電功能確保了準確的USB輸入電流合規(guī)性。通過根據(jù)負載情況自動調(diào)整充電電流，避免了因過流對設備和電池造成的損害。

2.3 3.95V浮動電壓

3.95V的浮動電壓不僅有助于延長電池壽命，還能提高高溫環(huán)境下的安全性。在高溫（約>60°C）工作或存儲條件下，降低浮動電壓可以在犧牲一定初始電池容量的情況下，提高電池在使用壽命內(nèi)的容量保持率，同時減少棱柱形和聚合物電池的膨脹，并避免圓柱形電池中的CID（壓力保險絲）打開。

2.4 可選擇的輸入電流限制

提供可選擇的100%或20%輸入電流限制（例如，500mA/100mA），滿足不同應用場景下對輸入電流的需求。

2.5 獨立可編程的電池充電電流

電池充電電流可獨立編程，最高可達1.2A，為不同容量和充電需求的電池提供了靈活的充電方案。

2.6 自動輸出欠壓充電電流降低（LTC4085-3）

LTC4085-3具備自動輸出欠壓充電電流降低功能，當輸出電壓下降時，自動降低充電電流，保護電池和設備免受欠壓影響。

2.7 小型封裝

采用微小的（4mm × 3mm × 0.75mm）14引腳DFN封裝，節(jié)省了電路板空間，適合便攜式設備的設計需求。

三、應用領域

LTC4085-3/LTC4085-4廣泛應用于各種便攜式USB設備，如智能手機、平板電腦、便攜式醫(yī)療設備、智能穿戴設備等。其出色的電源管理和充電功能，能夠滿足這些設備在不同電源供應和負載條件下的工作需求。

四、引腳配置與功能

4.1 引腳配置

4.2 引腳功能詳解

4.2.1 IN引腳

IN引腳是輸入電源引腳，連接到USB電源VBUS。輸入到該引腳的電流受CLPROG和HPWR引腳的控制。當通過PROG引腳設置的充電電流大于輸入電流限制時，充電電流將被限制在輸入電流限制范圍內(nèi)。

4.2.2 OUT引腳

OUT引腳是電壓輸出引腳，可從USB VBUS或電池為USB設備提供受控電源。當USB不存在時，該引腳也可作為電池充電的輸入，此時需要連接壁式適配器。為了保證輸出的穩(wěn)定性，OUT引腳應至少通過4.7μF的電容旁路到地。

4.2.3 CLPROG引腳

CLPROG引腳用于電流限制編程和輸入電流監(jiān)測。通過連接電阻RCLPROG到地，可以編程輸入到輸出的電流限制。具體計算公式為： [I{CL}(A)=frac{1000V}{R{CLPROG}}] 在USB應用中，RCLPROG的阻值應不小于2.1kΩ，以防止因LTC4085的公差和靜態(tài)電流導致應用電流超過500mA。同時，CLPROG引腳的電壓與通過IN到OUT電源路徑的電流成正比，可通過以下公式計算輸入電流： [I{IN}(A)=frac{V{CLPROG}}{R_{CLPROG}} cdot 1000]

4.2.4 HPWR引腳

HPWR引腳是高功率選擇引腳，為邏輯輸入。當該引腳的電壓大于1.2V時，輸入電流限制將設置為CLPROG引腳編程電流的100%；當電壓小于0.4V時，輸入電流限制將設置為CLPROG引腳編程電流的20%。此外，該引腳內(nèi)部有一個2μA的下拉電阻，確保在未外部驅(qū)動時上電為低電平。

4.2.5 SUSP引腳

SUSP引腳是暫停模式輸入引腳。將該引腳拉高至1.2V以上，將禁用從IN到OUT的電源路徑，同時將IN引腳的電源電流降低以符合USB暫停模式規(guī)范。在暫停模式下，從OUT充電電池和理想二極管功能（從BAT到OUT）仍然保持活躍。當Vout小于VBAT時，暫停模式將重置充電計時器；當Vout大于VBAT（如壁式適配器存在）時，進入暫停模式不會重置充電計時器。該引腳內(nèi)部同樣有一個2μA的下拉電阻，確保上電時為低電平。

4.2.6 TIMER引腳

TIMER引腳用于連接定時器電容CTIMER到地，從而設置定時器周期。定時器周期的計算公式為： [t{TIMER}(Hours)=frac{C{TIMER} cdot R_{PROG} cdot 3Hours}{0.1μF cdot 100k}] 當充電電流因欠壓電流限制、負載電流、熱調(diào)節(jié)和電流限制選擇（HPWR）而降低時，充電時間將相應增加。將TIMER引腳短路到地將禁用電池充電功能。

4.2.7 WALL引腳

WALL引腳是壁式適配器存在輸入引腳。當該引腳的電壓高于4.25V時，將斷開從IN到OUT的電源路徑，并將ACPR引腳拉低以指示檢測到壁式適配器的存在。

4.2.8 NTC引腳

NTC引腳連接到負溫度系數(shù)熱敏電阻，該熱敏電阻通常與電池組封裝在一起，用于監(jiān)測電池溫度。當電池溫度超出范圍時，充電將暫停，直到電池溫度回到有效范圍內(nèi)。為了實現(xiàn)NTC功能，需要從VNTC引腳到NTC引腳連接一個低漂移偏置電阻，并從NTC引腳到地連接一個熱敏電阻。如果不需要NTC功能，可將NTC引腳接地。

4.2.9 VNTC引腳

VNTC引腳為NTC熱敏電阻提供輸出偏置電壓。通過從該引腳到NTC引腳連接一個電阻，可以對NTC熱敏電阻進行偏置。

4.2.10 ACPR引腳

ACPR引腳是壁式適配器存在輸出引腳，為低電平有效開漏輸出。當該引腳為低電平時，表明壁式適配器輸入比較器的輸入已超過輸入閾值。當IN、OUT或BAT引腳無電源（即低于UVLO閾值）時，該功能將被禁用。

4.2.11 CHRG引腳

CHRG引腳是開漏充電狀態(tài)輸出引腳。當電池正在充電時，該引腳被內(nèi)部的N溝道MOSFET拉低；當定時器超時、充電電流降至編程充電電流的10%以下（在電壓模式下）或輸入電源或輸出電源被移除時，該引腳將變?yōu)楦咦杩範顟B(tài)。

4.2.12 PROG引腳

PROG引腳用于充電電流編程。通過連接電阻RPROG到地，可以編程電池充電電流。具體計算公式為： [I{CHG}(A)=frac{50,000V}{R{PROG}}]

4.2.13 GATE引腳

GATE引腳是外部理想二極管柵極引腳。該引腳可用于驅(qū)動連接在BAT和OUT之間的可選外部PFET，從而降低BAT和OUT之間理想二極管的阻抗。當不使用時，該引腳應懸空，并且要保持高阻抗并盡量減少所有泄漏路徑。

4.2.14 BAT引腳

BAT引腳連接到單節(jié)鋰離子電池。充電時，該引腳作為輸出；供電時，該引腳作為輸入。當OUT引腳電位低于BAT引腳電位時，理想二極管功能將連接BAT和OUT，防止Vout顯著低于VBAT。內(nèi)部的精密電阻分壓器設置了該引腳的最終浮動（充電）電位，當IN和OUT處于欠壓鎖定狀態(tài)時，內(nèi)部電阻分壓器將斷開。

4.2.15 GND引腳

GND引腳是接地引腳，封裝的外露焊盤為電氣接地，必須焊接到PCB上，以確保芯片的正常功能和額定熱性能。

五、工作原理

5.1 電源管理

LTC4085-3/LTC4085-4是一款完整的PowerPath控制器，能夠從USB源、壁式適配器或電池接收電源，并將電源輸送到連接到OUT引腳的應用和連接到BAT引腳的電池。對于電流資源有限的電源（如USB VBUS電源），應連接到具有可編程電流限制的IN引腳。電池充電電流將自動調(diào)整，以確保充電電流和負載電流之和不超過編程的輸入電流限制。

當輸出/負載電流超過輸入電流限制或輸入電源被移除時，理想二極管功能將自動從電池提供電源。通過理想二極管為負載供電，而不是直接將負載連接到電池，可以確保在外部電源移除之前，充滿電的電池保持滿電狀態(tài)。一旦外部電源被移除，輸出電壓將下降，直到理想二極管正向偏置，此時理想二極管將從電池為負載提供輸出電源。

此外，從OUT引腳為開關(guān)穩(wěn)壓器負載供電（而不是直接從電池）可以縮短電池充電時間。這是因為開關(guān)穩(wěn)壓器通常需要恒定的輸入功率，當從OUT引腳電壓（而不是較低的BAT引腳電壓）獲取功率時，開關(guān)穩(wěn)壓器消耗的電流較低，從而為電池充電留下更多電流。

5.2 USB電流限制和充電電流控制

LTC4085-3/LTC4085-4的電流限制和充電器控制電路旨在限制輸入電流，并根據(jù)OUT引腳的負載電流控制電池充電電流。編程的電流限制 (I{CL}) 定義為： [I{CL}=left(frac{1000}{R{CLPROG}} cdot V{CLPROG}right)=frac{1000V}{R{CLPROG}}] 編程的電池充電電流 (I{CHG}) 定義為： [I{CHG}=left(frac{50,000}{R{PROG}} cdot V{PROG}right)=frac{50,000V}{R{PROG}}] 輸入電流 (I{IN}) 等于BAT引腳輸出電流和OUT引腳輸出電流之和： [I{IN}=I{OUT} + I{BAT}] 在USB應用中，LTC4085-3/LTC4085-4的電流限制電路可以配置為將電流限制在500mA（可通過HPWR引腳選擇，通過CLPROG引腳編程）。當負載電流增加時，芯片會自動降低電池充電電流，以確保電池充電電流和負載電流之和不超過編程的輸入電流限制（當HPWR為低電平時，為編程輸入電流限制的五分之一）。當負載電流超過編程的輸入電流限制時，電池充電電流將變?yōu)榱?，輸出電壓將下降到略低于電池電壓，此時理想二極管電路將接管，多余的負載電流將從電池中獲取。

5.3 理想二極管功能

LTC4085-3/LTC4085-4內(nèi)部集成了理想二極管，同時還提供了一個用于可選外部理想二極管的控制器。當電池是唯一可用的電源或負載電流超過編程的輸入電流限制時，電池將通過BAT和OUT引腳之間的理想二極管電路自動為負載供電。理想二極管電路與OUT引腳上推薦的4.7μF電容相結(jié)合，使LTC4085-3/LTC4085-4能夠處理大的瞬態(tài)負載以及壁式適配器或USB VBUS的連接/斷開情況，而無需使用大容量的電容。理想二極管能夠在幾微秒內(nèi)響應，并防止OUT引腳電壓顯著低于BAT引腳電壓。

內(nèi)部理想二極管由一個精密放大器和一個大的P溝道MOSFET晶體管組成，當OUT引腳的電壓比BAT引腳的電壓低約20mV（ (V_{FWD}) ）時，MOSFET晶體管將導通。內(nèi)部理想二極管的電阻約為200mΩ。如果該電阻對于應用來說足夠，則無需使用外部組件；如果需要更高的電導，可以在BAT和OUT之間添加一個外部PFET。LTC4085-3/LTC4085-4的GATE引腳用于驅(qū)動PFET的柵極，實現(xiàn)自動理想二極管控制。外部PFET的源極應連接到OUT，漏極應連接到BAT。為了在過流情況下保護外部PFET，應將其與LTC4085-3/LTC4085-4進行緊密的熱接觸。

5.4 電池充電

LTC4085-3/LTC4085-4的電池充電電路專為單節(jié)鋰離子電池充電而設計，采用了恒流/恒壓充電算法，具有可編程的電流和充電終止定時器。充電電流可編程至最高1.5A，最終浮動電壓精度典型值為±0.8%。當為IN引腳供電時，無需使用阻塞二極管或檢測電阻。CHRG開漏狀態(tài)輸出可隨時提供LTC4085-3/LTC4085-4的充電狀態(tài)信息。NTC輸入提供了根據(jù)電池溫度進行充電條件判斷的選項。

內(nèi)部熱限制功能可在芯片溫度試圖超過預設值（約105°C）時降低編程的充電電流，從而保護芯片免受過溫影響。這使得用戶可以根據(jù)典型環(huán)境溫度（而非最壞情況）設置充電電流，同時確保在最壞情況下充電器會自動降低電流。

充電周期在OUT引腳的電壓高于輸出UVLO電平且電池電壓低于充電閾值時開始。在充電周期開始時，如果電池電壓低于2.8V，充電器將進入涓流充電模式，將電池電壓提升到安全的充電水平。當BAT引腳的電壓高于2.8V時，充電器將進入快速充電恒流模式，此時充電電流由 (R_{PROG}) 設置。當電池接近最終浮動電壓時，充電器將切換到恒壓模式，充電電流開始減小。當在恒壓模式下充電電流降至編程充電電流的10%以下時，CHRG引腳將變?yōu)楦咦杩範顟B(tài)。

TIMER引腳上的外部電容設置了總最小充電時間。當該時間到期時，如果CHRG引腳尚未變?yōu)楦咦杩範顟B(tài)，則充電周期將終止，CHRG引腳將變?yōu)楦咦杩範顟B(tài)。在恒流充電模式下，如果由于熱調(diào)節(jié)或為了維持編程的輸入電流限制而降低充電電流，充電時間將自動增加，即充電時間與輸送到電池的充電電流成反比。

5.5 涓流充電和電池故障檢測

在充電周期開始時，如果電池電壓較低（低于2.8V），充電器將進入涓流充電模式，將充電電流降低到滿量程電流的10%。如果低電池電壓持續(xù)總充電時間的四分之一，則認為電池有故障，充電周期將終止