LTC4155：打造高效电源管理与充电解决方案

在电子设备的设计中，电源管理和电池充电是至关重要的环节。今天我们要深入探讨的是 Linear Technology（现属于 Analog Devices）推出的一款强大的电源管理芯片——LTC4155，它在多方面表现出色，能为各类便携式设备提供可靠的电源管理和充电功能。

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一、LTC4155简介

LTC4155 是一款 15 瓦 (I^{2} C) 控制的电源管理器，具备 PowerPath™ 即时导通操作、高效的开关式电池充电功能，还能与 USB 完美兼容。它可以无缝地管理来自两个 5V 电源（如 USB 端口和壁式适配器）的电力分配，为单节可充电锂离子/聚合物电池以及系统负载提供稳定的电力。

二、关键特性剖析

1. 高效充电与出色的电源管理

• 高效充电器：能够提供高达 3.5A 的充电电流，且采用了单片式开关稳压器，能充分利用有限的功率和热预算，减少热量产生，提高效率。在一些对充电速度要求较高的设备中，如平板电脑、智能手机等，它可以快速为电池补充电量，同时保证设备的稳定性。
• 双输入过压保护：通过双输入过压保护控制器，能够有效防止因电压过高而对芯片造成损坏。当检测到输入电压超过安全阈值时，会迅速采取措施保护电路，确保设备的安全性。
• 优先多路复用：支持多个输入的优先多路复用功能，可以根据预设的优先级自动选择合适的电源输入。例如，当壁式适配器和 USB 端口同时连接时，它可以根据设定的规则优先选择其中一个电源为设备供电，提高电源使用的灵活性。
• I²C 控制与状态反馈：借助 (I^{2} C) 接口，用户可以对输入电流、充电电流、电池浮动电压、充电终止等多个参数进行灵活调整，实现智能化的控制。同时，芯片还能实时反馈关键系统和充电参数的状态，方便工程师进行监测和调试。
• NTC 热敏电阻 ADC：配备 NTC 热敏电阻 ADC，可用于实现温度相关的充电算法（JEITA）。在电池充电过程中，实时监测电池温度，当温度过高或过低时，自动调整充电策略，确保电池的安全和寿命。
• 即时导通操作：在电池电量极低的情况下，也能实现即时导通操作，保证系统能够立即启动。这对于需要在任何情况下都能迅速响应的设备，如应急设备、医疗设备等，具有重要意义。
• 电池理想二极管控制器：通过电池理想二极管控制器进行电源管理，能够确保在输入功率不足或缺失时，系统依然能够获得充足的电力供应。当外部电源断开时，电池可以迅速为系统供电，避免设备关机或出现故障。
• USB 即插即用电源传输：支持 USB On - The - Go 功能，无需额外组件即可向 USB 端口提供 5V 电源。这使得设备可以作为电源为其他 USB 设备充电，增加了设备的使用场景和实用性。

2. 详细的电气特性

• 输入电源电压：输入电源电压范围为 4.35V 至 5.5V，能够适应不同的电源环境。
• 充电电流与电压设置：提供了多种充电电流和电池浮动电压的设置选项，可通过 (I^{2} C) 进行灵活选择。例如，充电电流可以在 12.5% 至 100% 的范围内进行调整，电池浮动电压有 4.05V、4.10V、4.15V 和 4.20V 四个可选设置，满足不同电池的充电需求。
• 其他特性：还具备输入静态电流、电池放电电流、输入电流限制等一系列电气特性，确保芯片在各种工作条件下都能稳定运行。

三、引脚功能解读

LTC4155 共有 29 个引脚，每个引脚都有其特定的功能，下面为大家介绍几个关键引脚：

• SDA（Pin 1）和 SCL（Pin 28）：这两个引脚构成了 (I^{2} C) 串行端口的数据输入/输出和时钟输入，用于与外部设备进行通信和控制。通过 (I^{2} C) 接口，我们可以方便地对芯片的各种参数进行设置和读取。
• DVCC（Pin 2）：为 (I^{2} C) 串行端口提供逻辑电源，同时设置 SDA 和 SCL 引脚的参考电平，确保 (I^{2} C) 通信的稳定性。
• IRQ（Pin 3）：是一个开漏中断输出引脚，当芯片内部发生各种可屏蔽的状态变化事件时，可以通过该引脚向外部设备发出中断信号，提醒进行相应的处理。
• ID（Pin 4）：用于 USB A 设备检测。当连接到迷你或微型 USB 连接器时，该引脚可以检测到 USB 电缆的 “A” 端是否连接到产品。如果该引脚被拉低，并且 (I^{2} C) 端口中的 LOCKOUT_IDPIN 位未设置，则开关式 PowerPath 将反向操作，从电池向 (V{BUS}) 引脚提供 USB 电源，实现 USB On - The - Go 功能。
• CLPROG1（Pin 5）和 CLPROG2（Pin 6）：这两个引脚用于设置 (V{BUS}) 电流限制。通过连接不同阻值的电阻到地，可以精确控制从 (V{BUS}) 引脚吸取的电流上限，满足不同应用场景下对输入电流的要求。
• WALLSNS（Pin 7）和 USBSNS（Pin 8）：分别是最高优先级和最低优先级的多路复用器输入以及过压保护检测输入。通过连接到相应的输入电源连接器和外部 MOSFET 晶体管，实现对输入电源的监测和保护。当检测到输入电压超过安全阈值时，相应的保护机制将被触发，防止芯片受到损坏。
• USBGT（Pin 9）和 WALLGT（Pin 11）：是过压保护和优先多路复用器的栅极输出引脚，用于控制外部 N 沟道 MOSFET 通晶体管的导通和关断，实现对输入电源的切换和保护。
• BATGATE（Pin 17）：用于控制外部 P 沟道 MOSFET 晶体管的栅极，实现对锂离子电池的充电和为 (Vout) 提供电源的功能。当系统负载超过可用输入功率时，该引脚可以调节 MOSFET 的导通状态，确保系统的稳定运行。
• PROG（Pin 18）：是充电电流编程和监测引脚，通过连接一个电阻到地，可以设置最大电池充电速率。同时，该引脚的电压还可以反映实际的充电电流，方便进行监测和控制。

四、工作模式与操作原理

1. 输入电流受限的降压式开关充电器

电源从 (V{BUS}) 传输到 (V{OUT}) 由一个 2.25MHz 恒定频率的降压式开关稳压器控制。该稳压器会根据电池电压、电池充电电流、输出电压、输入电流、输入欠压和外部 PMOS 充电器 FET 功率耗散等六个调节环路中的任何一个来降低输出功率。在 USB 低功率（100mA）和 USB 暂停（2.5mA）模式下，开关稳压器会被禁用，功率通过线性稳压器传输。

2. 电池浮动电压调节

当电池充电器启用时，开关稳压器会降低其输出功率，以防止 (V{BATSNS}) 超过编程的电池浮动电压 (V{FLOAT})。通过 (I^{2} C) 接口的 VFLOAT[1:0] 位，可以从四个可能的选择中选择浮动电压，分别为 4.05V、4.10V、4.15V 和 4.20V。

3. 电池充电电流调节和低电池涓流充电

开关稳压器还会降低其输出功率，以将电池充电电流 (I{CHARGE}) 限制在编程的最大值。电池充电电流的编程通过一个连接在 PROG 和地之间的电阻 (R{PROG}) 来设置默认最大充电电流，再结合 (I^{2} C) 可调节功能来选择性地降低编程充电电流。可以通过采样 PROG 引脚电压来确定电池充电电流： [I{BAT}=frac{V{PROG}}{R_{PROG}} cdot 1000] 当电池电压低于大约 3.25V 时，充电电流调节伺服电压会逐渐降低，以保护外部 PMOS 晶体管免受过载损坏，并对过度耗尽的电池进行涓流充电，延长电池寿命。

4. (V_{OUT}) 电压调节

当电池充电器启用时，(V{OUT}) 会通过内部充电电流检测电阻和外部 PMOS 电池 FET 连接到 BATSNS。LTC4155 会尽量防止 (V{OUT}) 在电池深度放电时低于大约 3.5V，以确保系统能够即时启动。如果系统负载加上电池充电器负载超过可用输入功率，电池充电电流将被牺牲，以优先保障系统负载，并维持开关稳压器的输出电压，同时仍遵守输入电流限制。

5. 输入电流调节

为满足可用电源（USB/壁式适配器）的最大负载规格，开关稳压器包含一个测量和控制系统，确保平均输入电流低于在 CLPROG1 或 CLPROG2 引脚以及 (I^{2} C) 端口上编程的水平。通过连接一个推荐值的 1% 容差电阻到 CLPROG1 和 CLPROG2 引脚，可以保证符合 2.5mA、100mA、500mA 和 900mA 的 USB 2.0/3.0 电流规格，同时还允许通过 (I^{2} C) 选择其他高达 3A 的电流限制。

6. 输入欠压电流限制

LTC4155 可以承受与输入电源的电阻连接，当 (V_{BUS}) 引脚电压降至 4.3V 时，自动减少功率传输，防止可能的欠压锁定（UVLO）振荡。该欠压电流限制功能可以通过 (I^{2} C) 使用 DISABLE_INPUT_UVCL 位禁用。

7. USB On - The - Go 5V 升压转换器

LTC4155 的开关稳压器可以反向操作，从电池向 (V{BUS}) 输送功率，同时将 (V{BUS}) 电压升压到 5V。该模式可以通过监测 USB 电缆的 ID 引脚自动启动，或者通过 (I^{2} C) 命令 REQUEST_OTG 直接启用。在 USB - OTG 模式下，开关稳压器可以支持高达 500mA 的 USB 高功率负载，并能在检测到故障时限制电流并关闭通道。

8. 其他工作模式

• 100mA 线性电池充电器模式：支持 USB 低功率操作，总输入电流保证低于 100mA。在该模式下，降压式开关稳压器不工作，由线性稳压器为 (V_{OUT}) 和电池提供功率。
• 2.5mA 线性暂停模式：当产品连接到暂停的 USB 端口时，LTC4155 可以从 (V{BUS}) 向 (V{OUT}) 提供少量电流，以减少电池放电。在该模式下，电池充电将被禁用。
• 理想二极管和最小 (V_{OUT}) 控制器模式：通过理想二极管控制器确保系统在输入功率缺失或不足时仍能获得足够的电力供应。当输入功率可用时，PMOS 栅极通常会接地，以实现开关稳压器和电池之间的最大导通效率；当电池深度放电时，会自动增加开关稳压器和电池之间的阻抗，防止 (V_{OUT}) 低于大约 3.5V。
• 低功率运输和储存模式：在该模式下，LTC4155 可以将其极低的待机电流降低到大约 1µA。通过将外部 PMOS 栅极驱动到电池电压，可以禁用 FET 导通，切断对 (V_{OUT}) 下游负载的所有电源，最大限度地延长产品制造和销售之间的电池寿命。

五、I²C 接口与通信协议

1. (I^{2} C) 接口概述

LTC4155 通过标准的 (I^{2} C) 2 线接口与总线主控器进行通信。SDA 和 SCL 两条总线线在总线未使用时必须为高电平，需要外部上拉电阻或电流源来确保通信的正常进行。芯片既是从接收器又是从发射器，(I^{2} C) 控制信号 SDA 和 SCL 在内部会根据 DVCC 电源进行缩放，因此 DVCC 应连接到与总线上拉电阻相同的电源。

2. 通信协议细节

• 总线速度：(I^{2} C) 端口设计为最高可在 400kHz 的速度下运行，内置了定时延迟，以确保从 (I^{2} C) 兼容主设备寻址时的正确操作，同时还包含输入滤波器，用于抑制干扰。
• START 和 STOP 条件：总线主控器通过发送 START 条件来启动通信，START 条件是在 SCL 为高电平时，SDA 从高电平转变为低电平。主控器可以发送从设备写地址或从设备读地址。数据写入 LTC4155 后，主控器可以发送 STOP 条件，命令 LTC4155 执行新的命令集，STOP 条件是在 SCL 为高电平时，SDA 从低电平转变为高电平。
• 字节格式：每个发送到或从 LTC4155 接收的帧必须为 8 位长，后面跟着一个额外的时钟周期用于确认位。数据应先发送最高有效位（MSB）。
• 主设备和从设备的角色：连接到 (I^{2} C) 总线的设备可以分为主设备和从设备。主设备负责发起通信，控制 SCL 时钟信号；从设备则响应主设备的请求。在通信过程中，发送器负责控制 SDA 线在每个帧的 8 位数据部分，接收器负责控制 SDA 线在每个帧的第九个也是最后一个确认时钟周期。
• 确认信号：确认信号（ACK）用于发送器和接收器之间的握手。当 LTC4155 被写入时，它会作为从接收器确认其写地址以及后续的数据字节；当被读取时，它会作为从接收器确认其读地址。在读取操作中，根据 (I^{2} C) 规范，主接收器在读取最后一个数据字节后应发送一个非确认（NACK）信号，以指示从发送器释放总线控制权，但由于 LTC4155 无论如何都会在发送一个字节的数据后释放总线，因此主设备发送 ACK 或 NACK 信号并无实际影响。
• 从设备地址：LTC4155 响应一个 7 位的地址，该地址已在工厂编程为 0b0001_001[R/W]。地址字节的最低有效位（LSB）为读/写位，写数据到 LTC4155 时应为 0，从 LTC4155 读取数据时应为 1。因此，写地址为 0x12，读地址为 0x13，LTC4155 会确认其读和写地址。
• 子地址访问：LTC4155 有四个命令寄存器用于控制输入，三个状态寄存器用于状态报告。通过 (I^{2} C) 端口的子地址指针系统可以访问这些寄存器，每个子地址值指向 LTC4155 内的七个控制或状态寄存器之一。子地址指针在总线写操作中总是紧跟在 LTC4155 写地址之后的第一个字节写入，其值在总线写操作后会保留，并在后续的总线读操作中确定 LTC4155 返回的数据字节。
• 总线写操作：总线主控器通过发送 START 条件和 LTC4155 的写地址来启动与 LTC4155 的通信。如果地址匹配，LTC4155 会返回一个确认信号。然后，总线主控器应发送子地址，子地址值在 LTC4155 返回子地址确认位后会被传输到一个特殊的指针寄存器中。如果主控器希望继续写事务，可以接着发送数据字节，数据字节在 LTC4155 确认数据字节时会被传输到子地址指针所指向的内部待处理数据寄存器中。主控器可以在任何偶数或奇数个字节后通过重复 START 或 STOP 条件终止与 LTC4155 的通信。
• 总线读操作：LTC4155 包含七个可读寄存器，其中三个为只读寄存器，包含状态信息；四个包含控制信息，可以由总线主控器进行写入和读取。在每次总线读操作中，只有七个子地址数据寄存器中的一个可以访问，LTC4155 返回的数据来自子地址指针寄存器内容所指向的数据寄存器。为准备总线读操作，总线主控器可能会在只发送奇数个字节后通过 STOP 或重复 START 条件提前终止写事务，最后发送的字节代表对后续总线读操作感兴趣的寄存器的指针。总线主控器通过发送 START 或重复 START 条件，然后发送 LTC4155 读地址来从 LTC4155 读取状态数据。如果读地址匹配，LTC4155