具集成型功率器件的I2C控制型电池电源管理IC

可采用任何 5V 电源给高容量电池充电，同时保持低运行温度

便携式电子产品设计人员面临着这样的挑战，就是要开发出既“无所不能”同时又可在一次电池充电之后“永久运行”的设备。虽然不可能完全解决这一难题，但电池技术的逐代升级进步至少是在逼近该目标。由于许多便携式设备目前已拥有了色彩鲜亮的大型触感显示屏、多内核 CPU 和图形处理器、以及各种各样用于在地球任何地方实现高速通信的无线调制解调器，因此高容量电池是不可或缺的。电池制造商已凭借容量超过 30瓦特-小时 (Wh) 的轻量紧凑型电池满足了上述要求。

虽然 USB 已成为设备互连、同步和数据交换的主导标准，但其功率输送能力却未能跟上电池的需求。USB 2.0 可允许 2.5W 的最大负载，USB 3.0 则将该限值提高至 4.5W。即使具有理想的效率，以及所有的电能都直接进入电池，采用 USB 的完整充电周期仍然需要整个夜晚。虽然 USB 不适合用作大容量电池的主电源，但在可能的情况下幸好有这电源，所以其仍然具有极大的价值，并且当设备与传统计算机相连时，就可避免电池消耗。

两全其美

LTC4155 是一款单片式开关电池充电器，可在紧凑的 PCB 占板面积内高效地提供 3.5A 充电电流。图 1 示出了典型应用中所需的组件。2.25MHz 开关频率允许使用小的电感器和旁路电容器，从而最大限度地缩减总体 PCB 占用面积。

图 1：I2C 控制型高功率电池充电器 / USB 电源管理器

即使在充电电流达几个安培的情况下，高效率 (图 2) 也是至关紧要的，不仅对于实现可用输入功率的最优利用，对于控制便携式设备内部的功率耗散也是如此。在严密封闭的空间里，高功率耗散与勉强合格的散热性能之组合将使一部采用低效充电解决方案的设备温度过高，用户拿在手里会很不舒服。为了帮助保持设备的低运行温度，LTC4155 的集成型电源开关具有远低于 100m 的导通电阻。

图 2：开关稳压器效率

虽然 LTC4155 的电源开关规格是为处理高于 USB 限值的电流而确定的，但 LTC4155 保持了与 USB 规范的全面兼容性以便提供充电。输入电流在内部自动测量，并被限制为 16 种 I2C 用户可选值中的任一种。在这些设定值中，有 3 种对应于保证的最大限值：100mA 和 500mA (对于 USB 2.0) 以及 900mA (对于 USB 3.0)。另外，通过选择其他最大值高达 3A 的限流设定值中的任一种，自动输入电流限制功能还可与 AC 适配器或其他电源配合使用。

LTC4155 支持一个可通过引脚设置的上电默认输入电流。对于那些不需要具备 USB 兼容性的高功率应用，由连接至 CLPROG1 引脚的单个电阻器负责设置一个默认的上电输入电流。该电阻器的选择旨在对应一个最适合特定应用以及预期电源能力等的初始电流限值。在上电之后，输入电流限值可在 I2C 控制下修改为 16 种其他可用设定值 (高达 3A) 中的任一种。

对于 USB 应用，可以把 CLPROG1 和 CLPROG2 引脚连接在一起，以将 LTC4155 设置为实施 USB 限流规则。当施加外部电源时，输入电流限值将默认为 100mA。在采用 USB 主机控制器进行了成功的枚举之后，输入限流设定值可在 I2C 控制之下适当地增加至 500mA 或 900mA。图 3 示出了至系统负载和电池充电器的可用电流。请注意，开关稳压器输出电流大于 USB 规范所限制的输入电流。假如系统检测出电源是一个 AC 适配器、专用 USB 充电器、或其他非 USB 型电源，则输入限流设定值可在 I2C 控制下增加至任何其他设定值 (可高达 3A)。

图 3：符合 USB 规范的可用负载电流 (在电池放电之前)

多个输入连接器的无缝处理

LTC4155 可选择接受来自两个电源的输入之一，从而解决了巧妙地将电源从两个不同的物理连接器传送至产品的难题。当两个输入电源同时连接时，使用哪个电源的决定基于一种可由用户自行设置的优先级。只要每个输入电压都处在有效的工作范围之内，那么选择其中任何一个都是可以的，无需理会究竟哪个的电压更高。例如：这使得一个 4.5V/2A AC 适配器的优先级高于一个 5V/500mA USB 端口。如果 USB 连线被移除，而将一个 5V/3A AC 适配器连接至相同的端口，则输入电源优先级可通过 I2C 进行修改，以切换至功率较高的新电源。

LTC4155 支持其两个电源输入各具有独立的 I2C 可编程输入电流限值。当优先级较高的输入电源断接时，充电将会不间断地继续进行，并自动减小至新的较低最大输入电流限值。无需系统微控制器直接干预处理。

视针对输入多路复用器所选择的外部组件的不同，如果应用需要，则可轻松实现高达 ±77V 的过压和反向电压保护。此外，LTC4155 还能为 USB 连接器产生一个 USB On-The-Go 5V电流限制电源，而无需使用任何附加的外部组件。 [p]

丰富的可编程性和遥测用于实现高级充电算法

LTC4155 提供了连续 I2C 状态报告功能，从而使系统软件能全面了解输入电源的状态、故障情况、电池充电循环状态、电池温度和多项其他性能参数。

主要的充电参数可在 I2C 控制下变更，以执行定制的充电算法。与基于微控制器的充电算法或其他可编程型充电算法不同，LTC4155 在软件 I2C 控制下可使用的所有可能之设定值均针对了电池的本质安全性。浮置电压绝对不能设置在 4.2V 以上或 4.05V 以下。同样，电池充电电流可设置为 15 种可能的设定值之一，但是软件绝对不可以把限值提升至高于设计师所设定的水平 — 通过一个选择用于使电池容量与最大充电速率相匹配的编程电阻器。

可向系统软件提供连续的电池温度数据，以动态地调整系统或充电器的运行状态，从而应对极端的操作困境。例如：可在 I2C 控制下减低浮置电压和 / 或充电电流，以增加高环境温度下的电池安全裕量。同样，充电电流或总系统负载电流也可随高温而减小，以降低产品外壳内部的额外发热。

与电池充电器可编程性的所有其他方面一样，LTC4155 实现了一款无需任何软件干预的本质安全充电解决方案。当电池温度降至 0°C 以下或升至 40°C 以上时，电池充电始终暂停。此外，当电池温度上升至高于 60°C 时，还可以选择产生一个故障中断。图 4 示出了 LTC4155 电池温度数据转换器的转移函数，并对自主型充电器切断温度门限做了突出显示。

图 4：LTC4155 电池温度数据转换器的转移函数 (突出显示了自主型充电器切断温度门限)

电源通路即时接通型操作

在传统电源架构中，大多数便携式产品都是直接与电池相连的，因此失效电池会特别容易引发故障。当电池电压过低以至于系统无法运行时，产品有可能表现出无响应状态，甚至在连接至某个输入电源达数分钟之后仍然如此，这可能因此而导致很多查询电话。当电池容量与可用充电电流相比非常大的时候 (例如：采用大容量电池的 USB 供电型系统)，这个问题将进一步复杂化。

凌力尔特的 PowerPath 产品 (比如：LTC4155) 将系统电源轨与电池分隔开来，以实现即时接通型操作，并解决由深度放电电池所引起的两个最令人困扰的问题。

第一个问题是：当系统电源轨直接连接至电池时，充电电流与系统负载变得难以区分。当电池深度放电时，在电池电压达到某个较为安全的水平之前，电池制造商建议用户使用一个大为减小的初始充电电流。假设最小或没有系统负载电流，必须对于电池将该涓流充电电流设置在一个安全的水平。

其次，在直接连接型电池系统中，倘若系统在涓流充电期间可供使用，则准备用于电池的充电电流有很大部分将被分流至系统电源轨。因此而减小的电池充电电流将使恢复时间相应地延长。一个巨大的系统负载会导致净电池电流反向，从而使电池进一步放电。在这种低电池电量情况下，便携式系统有可能因为系统电源轨上的电压不足而无法对用户的操作做出响应。由于可提供给共接式电池和系统电源轨的功率有所降低，因此无响应的持续时间至少将增加 10 倍。

当电池深度放电时，LTC4155 可为系统电源轨提供 3.5V 电压，以实现即时启动。由于电池电压在预充电阶段上升，因此 LTC4155 无缝和自动地转换至一种效率较高的模式，以加快充电速度并最大限度地抑制热量的产生。图 5 示出了可提供给系统电源轨的电压与电池电压的函数关系。

图 5：VOUT 电压与电池电压的关系曲线

LTC4155 电池充电电流的设置独立于输入电流限值，旨在消除电池充电电流限制条件与输入功率限制条件之间的相互影响。输入电流限值可以仅根据输入电源的限制条件进行设置。同样，电池充电电流也可以只依据电池容量来设置。LTC4155 始终执行输入电流限值，并在需要的情况下使“为系统负载供电”的优先级高于“电池充电”。

面对非理想电源时的坚固性

当输入电压开始下降至一个不可接受的水平时，LTC4155 将自动减小输入电流。在高充电电流水平下，如果采用尺寸过小的导线经由轻微腐蚀的连接器连接至尺寸过小的适配器，或者任何数目的条件超出了惯常的设计范围，就会出现上述状况。

倘若不加干预，那么 IC 的输入电压将继续下降，并最终降至欠压闭锁门限以下。IC 随后将停机，允许输入电压恢复并重新起动整个循环过程。LTC4155 在糟糕的情况下做到了最好。当输入电压降至 4.3V 时，LTC4155 可使其输入功率按照需要的额度平稳地减低，以避免输入电压的进一步下降。在该模式中，虽然输送至系统负载和电池的电流小于编程值，但假如允许输入电压振荡继续下去，那么这个数值将会更小。此外，LTC4155 还可产生一个 I2C 状态报告和任选的中断信号，以提醒系统：终端用户可能需要采取校正或诊断措施以恢复最大充电电流能力。

结论

LTC4155 实现了高电流能力和高效率与小巧单片式 PCB 占板面积的完美组合，非常适合于采用大型锂电池的便携式设备，在此类设备中，非常重视板级空间，同时希望尽量减少发热量和充电时间。可兼容 USB 规范的输入限流设定值进一步扩展了通用性，允许利用无处不在但功率较低的电源提供充电。大量的遥测可实现基于变化的环境或应用条件之定制运行状态，而并未牺牲自备的电池安全性。尽管面对着诸如电池深度放电或阻性输入电源电缆尺寸过小等常见问题，但仍然能够不间断地向系统电源轨输送功率。LTC4155 采用的是 28 引脚 4mm x 5mm QFN 封装。