LTC3455提供了一种紧凑、易于使用的解决方案

介绍

LTC3455 提供了一种紧凑、易于使用的解决方案，可在三种不同的输入电源之间无缝转换：单节锂离子电池、USB 端口和 5V 墙上适配器。该器件包含两个同步降压 DC/DC 转换器、一个 USB 电源控制器（可将 USB 电流精确限制为 500mA 或 100mA）、一个功能齐全的单节锂离子电池充电器、一个 200mA 热插拔™输出、低电量指示器和众多内部保护功能全部压缩到薄型（0.8mm 高）4mm × 4mm 24 引脚 QFN 封装中（图 1）。

图1.一个完整的“即插即用”便携式电源管理解决方案，采用微型封装。

典型LTC3455应用的简单性如图2所示。本应用中DC/DC转换器的效率如图3所示。该器件可在内部处理重要的系统启动和保护问题（软启动、电源排序、充电器热限制、所有输出的电流限制等），这有助于最大限度地减少外部元件的数量。对于只需要电池和USB电源，无需5V墙上适配器的应用，该电路甚至更简单（参见图2中的注释）。

图2.LTC3455的典型应用。

图3.直流/直流转换器效率。

双通道高效 DC/DC 转换器

LTC3455 包含两个 1.5MHz 恒定频率电流模式开关稳压器，其工作效率高达 96%。开关稳压器 1 在 400.1V/5.1V 时提供高达 8mA 的电流 （为微控制器内核供电），开关稳压器 2 在 600.3V 时提供高达 3mA 的电流 （为微控制器 I/O、存储器和其他逻辑电路供电）。当输入电压非常接近输出电压时，两个转换器都支持 100% 占空比操作（低压差模式），并且都能够执行突发模式操作，以便在轻负载下实现最高效率（突发模式可通过引脚选择）。切换台 2 具有独立的开/关控制，但仅在切换台 1 也处于启用状态并处于稳压状态时运行。如果在初始上电时两者都使能，则切换台 2 仅在切换台 1 达到其编程值的 90% 后才会开启。这种上电延迟可确保正确的电源排序，并降低启动时的峰值电池电流。®

只要有外部电源，就会使能电池充电器和切换台1（内核电源）。这确保了电池始终可以充电，并且只要有外部电源可用，微控制器始终处于活动状态。切换台 2 也可设置为在有外部电源时打开。此外，所有系统电源均来自适当的外部电源，一旦电池充满电，电池上的电流消耗将降至10μA。

充分利用 USB 电源

USB（通用串行总线）的普及使其成为在设备之间传输数据和电源的有吸引力的选择。在为电池充电的同时通过USB为便携式设备供电的能力显然是可取的（没有壁式疣），但这不一定是一个简单的设计问题。单个USB端口（最大2.5W）的可用功率几乎不足以支持许多全功能便携式设备所需的峰值功率，即使不增加快速充电所需的功率。

更复杂的是，USB端口不是理想的电源。每个器件在高功率模式下最大可消耗500mA电流（或在低功耗模式下可消耗100mA电流），但提供给便携式设备的电压可能会有很大差异。尽管 USB 电源的标称额定值为 5V，但当包括正常电源变化、电缆损耗和瞬态条件时，便携式设备上显示的 USB 电压通常要低得多，通常降至仅 4V（即使最低 USB 规格为 4.35V）。由于USB端口具有500mA的严格电流限制，这意味着便携式设备可用的功率可以低至2W。当USB电压本身可能低于4.2V时，当尝试对单节锂离子电池（最终充电电压为4.2V）充满电时，降低的USB电压也会出现问题。

LTC3455 的 USB 电源控制器专为解决这些问题而设计，它提供了多种功能，可充分利用 USB 端口所提供的功率。一旦 USB 引脚电压达到 3.9V，该器件就会消耗 USB 电源，并继续获取电源，直到引脚电压降至 3.7V 以下。如果USB引脚电压降至4.5V以下，充电电流会逐渐降低（最终在4.0V左右关断），以帮助防止在使用长电阻式USB电缆时出现“颤振”和稳定性问题。图4显示了USB电压下降时充电电流的降低。

图4.充电电流与 USB 电压的关系。

内部 USB 电源控制器还自动调节电池充电电流，以帮助将系统总电流保持在严格的 500mA 或 100mA USB 限值以下。系统的其余部分消耗所需的任何电流，但电池充电电流会降低，以试图将总系统电流保持在严格的USB 500mA/100mA限制以下。图5中的图表显示了充电电流I.BAT，随着系统其余部分所需电流的增加而减小（切换器和所有其他外部设备都从 V 获取电流.MAX图钉）。USB 总电流，IUSB，始终保持在500mA以下。

图5.IBAT与总系统电流。

锂离子电池充电器

电池充电器是恒流、恒压充电器。在恒流模式下，最大充电电流由单个外部电阻器设置。当电池接近最终浮动电压时，随着充电器切换到恒压模式，充电电流开始减小。充电周期仅由充电定时器终止，充电定时器使用单个外部电容器进行编程。USB 供电时最大充电电流为 500mA，墙上适配器供电时最大充电电流高达 1A。USB 电源控制器将自动节流充电电流，以帮助在 USB 电源下将总 USB 引脚电流保持在 500mA 以下。当电池在充电周期开始时低于2.8V时，充电器进入涓流充电模式，将充电电流降低到其编程最大值的十分之一。如果管芯温度上升到预设值约105°C以上，内部热限值会降低充电电流。 此功能不仅可以保护 LTC3455 免受过热的影响，还可以缩短充电时间，因为它允许用户设置一个更高的最大充电电流 — 同时考虑到给定应用的典型环境温度，而不是最差情况的环境温度 — 并保证充电器将在最坏情况下自动减小电流。

热插拔输出

提供 200mA 热插拔输出，用于为安全数字 （SDIO） 卡、存储卡和任何其他可热插拔到系统的外部设备供电。如果直接热插拔到其中一个切换台输出中，这些外部设备最初显示为短路，可能会拖累输出，从而导致重大系统问题。HSO 输出只能在 LTC3455 接通时工作，并采用 HSON 引脚使能。对于不需要热插拔的应用，该输出可以简单地用作200mA负载开关（由HSON引脚控制）。

低电量检测器/LDO

LTC3455 包含一个额外的增益模块 （引脚 AI 和 AO），该模块可用作低电池电量指示器，或用作 LDO 并附加一个外部 PNP 或 PMOS。只要器件使能，该增益模块就会激活，并在关断期间关闭，以最大限度地减少电池消耗。在 LTC3455 导通之前，低电池电量检测器不会报告低电池电量情况，但对于大多数应用来说，这不是问题，因为 LTC3455 无论如何都会为微控制器和系统中的所有其他智能供电。LDO 非常方便需要第三个输出的应用，如 2.5V 或安静的 3V 电源。

将 3.3V 输出电流增加到 1.2A

在 900mA 的内部电流限值下，开关稳压器 2 通常提供 3.3V、600mA 输出。虽然该输出电流足以满足许多便携式设备的需求，但某些应用需要能够提供3A以上电流的3.1V电源。图 6 示出了如何利用 LTC3 实现一个较高电流的 3.3455V 输出。通过增加一个纤巧的SOT-23 PMOS并将增益模块用作LDO，3.3V输出现在可提供1.2A的输出电流。开关稳压器2的输出电压设置为3.3V，LDO的输出电压设置为3.2V（低3%）。只要负载电流足够低，开关稳压器2能够提供，LDO就会完全关断。该电路非常适合在短时间内需要较高3.3V输出电流的应用。开关稳压器2通常提供所有输出电流，LDO将短暂导通以提供更高的负载电流。

图6.LTC3455 应用采用 3.3V 输出电流增加到 1.2A。

当负载电流超过切换器2所能提供的电流时，3.3V输出略有下降，LDO提供所需的额外电流。图7显示了3.3V输出电流从0.5A步进至1.2A时的瞬态响应。可以增加更多的输出电容，以改善这些高电流负载阶跃期间的3.3V瞬态响应。

图7.负载电流阶跃（0.5A至1.2A）用于3.3V输出。

带临时备用电源的 USB 电源

虽然 LTC3455 主要设计用于锂离子电池供电的便携式应用，但对于始终由一个 USB 电源或墙上适配器供电的系统来说，它也是一个不错的选择。然后，可以使用电池充电器为大型电容器或备用电池充电，在断开外部电源后短暂地为系统供电。这使微控制器有足够的时间在主电源突然断开时遵循适当的关断程序。

图 8 示出了一款使用 LTC500 的用于 USB 高功率应用 （3455mA 最大 USB 电流） 的独立电源。系统总功率应保持在 1.8W 以下，以确保即使在最坏的 USB 条件下也能清洁运行。如图所示的电阻值，当 V.MAX引脚电压降至 4.0V，通知微控制器即将发生压差情况。连接在 AI 和 AO 引脚之间的 1MΩ 电阻提供 150mV 的迟滞（压差指示器保持低电平，直到 V.MAX引脚回升至4.15V以上）。

图8.带临时备用电源的独立 USB 电源。

一个 4700μF 后备电容器连接到 V.BAT在卸下 USB 电源后，引脚会短暂地为系统供电，还有助于支持略高于 USB 电流限值的瞬态负载。将此大电容连接到 V.BAT引脚有几个优点。它提供了一个大型储能器，该储能器与 USB 引脚（USB 规格将 USB 电源引脚上的电容限制为 10μF 或更低）和 V 隔离.MAX引脚（在此引脚上使用非常大的电容将延迟系统开启），并且通过使用电池充电器缓慢充电该电容器来防止大浪涌电流。定时器引脚连接到 V.MAX，电池充电器在恒流模式下工作（电压环路和定时器功能被禁用），因此 4700μF 电容器始终充满电至可用的 USB 电压。

结论

LTC3455 简化了便携式应用的设计。它是一个完整的电源管理解决方案，集成了两个降压型 DC/DC 转换器、一个 USB 电源控制器、一个全功能锂离子电池充电器、一个热插拔输出和一个低电量指示器 — 所有这些都挤在一个微小的 4mm × 4mm QFN 中。

审核编辑：郭婷