可充電電池通常用于為便攜式通用串行總線 （USB） 設備（如 PDA 或 MP3 播放器）供電。USB本身可用于直接為設備供電或為電池充電。LTC4055 采用電源路徑?控制以無縫有效地將負載引導到首選電源;同時保持在指定的 USB 電流限制內;并用任何可用的剩余電流為電池充電。當存在 USB 時，LTC4055 將 USB 電源直接連接至負載。當同時存在 USB 和一個墻上適配器時，LTC4055 可配置為讓墻上適配器取代 USB 作為電源。這些與負載的直接連接轉化為更高的負載電壓和更高的效率。

USB 主機或有源集線器從其標稱 500V 電源提供高達 5mA 的電流。在USB電源電壓（而不是電池電壓）下運行負載的效率更高，意味著500mA USB預算中剩余更多的電流用于為電池充電。由于當應用程序連接到 USB 或墻上適配器時，電池不在電源路徑中，因此即使電池電量不足或沒電，應用程序也可以供電。同樣的理由也適用于充滿電的電池。充滿電的電池在 USB 或外部電源斷開之前不在電源路徑中，將保持充滿電狀態。圖 1 顯示了使用 LTC4055 可以實現 USB 應用中的 PowerPath 控制和電池充電是多么簡單。

圖1.獨立的 USB 鋰離子電池充電器，具有從輸入到輸出和電池到輸出的 PowerPath 控制 — 配置為 500mA USB 電流限制和 500mA 最大充電電流。

電源路徑

讓我們看一下 PowerPath 控制如何減少充電時間。假設應用程序負載是 DC/DC 轉換器。這種轉換器實際上是恒功率器件。DC/DC 轉換器的輸入電壓越高，電流消耗越低。在電流有限的USB應用中，在盡可能高的輸入電壓下運行轉換器是有意義的。這最大限度地減少了總線的電流消耗，從而為電池充電留出更多電流。

圖 2 將電源路徑中包含電池的拓撲與在不需要時將電池從電源路徑中切換出去的拓撲進行了比較。圖2a顯示了直接連接到鋰離子電池的恒定0.5W負載。USB電流限制為500mA，標稱電池電壓為3.85V。因此，為負載供電所需的電流為0.5W/3.85V = 130mA。剩下370mA（500mA – 130mA）為電池充電。圖2b顯示了一個0.5W恒定功率負載，通過一個檢測電阻直接連接到USB。負載電壓為4.98V，負載所需電流為100mA （0.5W/5V）。電池充電的剩余電流為400mA （500mA – 100mA），比電池處于電源路徑中的8mA提高了370%。

（a）. 沒有 PowerPath 控制。

（b）. 使用 PowerPath 控制。

圖2.與傳統方法相比，PowerPath 控制可增加可用的充電電流（并縮短充電時間）。在本例中，增加30mA （8%）。

LTC4055 具有一個內部 200mΩ 電源開關，當 USB 存在時，該開關可將 USB 電源連接至負載。結果是負載在USB電壓下運行，而不是電池的較低電壓。LTC4055 具有一種獨特的電流控制方案，可在變化的負載條件下為電池充電時保持 USB 電流限制。這種電流控制方案意味著隨著負載電流的降低，更多的電流可用于電池充電。圖 3 顯示了 LTC4055 的輸入和電池充電電流與圖 1 所示應用的負載電流的函數關系圖。

圖3.輸入和電池電流與高功率模式下負載電流的函數關系，電流限制設置為 500mA （R中歐普羅格= 100kΩ），充電電流設置為≥ 500mA （R進度≤ 100kΩ）。請注意，當負載電流超過USB電流限制時，電池的充電電流變為負。

LTC4055 的 PowerPath 的簡化框圖如圖 4 所示。它由一個內部電流受限的 200mΩ 電源開關組成，該開關從 LTC4055 的輸入端至輸出端。LTC4055 內有兩個電池充電器路徑。第一個是從輸入到電池的輸入充電器，用于USB充電。另一個電池充電器路徑是從輸出到電池的輸出充電器，用于在檢測到外部適配器時為電池充電。

圖4.PowerPath 控件的簡化框圖。

內部理想二極管功能可防止負載電壓大于電池電壓時從負載反向傳導到電池。如果負載電流超過USB限值或電池是唯一的電源，則相同的理想二極管功能可提供從電池到負載的低正向壓降（典型值為55mV，100mA）。理想二極管與肖特基二極管的正向特性如圖5所示。

圖5.理想二極管和肖特基二極管正向電壓與電流的關系。

LTC4055 內部提供了一個墻上適配器比較器，以檢測是否存在一個備用外部電源。當檢測到墻上適配器時，比較器使能輸出電池充電器，并禁用從輸入到輸出的電源路徑和輸入電池充電器。當存在墻上適配器時，該比較器對于防止從 LTC4055 的輸出反向傳導到輸入或 USB 非常重要。圖4顯示了使用肖特基電源將墻上適配器連接到輸出的過程。墻上適配器比較器的輸出還驅動一個漏極開路狀態引腳（ACPR）。該狀態引腳可用于使能一個外部功率 PMOS FET，以建立從墻上適配器到LTC4055 輸出的低阻抗連接，如圖 6 所示。

圖6.USB 電源控制和電池充電器應用，帶有壁式適配器輸入，配置為在適配器存在時以 800mA 為電池充電。

可編程性

輸入電流限制和電池充電電流均可獨立編程。這允許根據應用定制電流限制和充電電流。一個外部編程電阻 （RCLPROG） 設置 200mΩ 開關的電流限值。電池充電器的恒流模式電流由外部編程電阻器（RPROG）也是如此。限流編程電阻還設置輸入充電器允許的最大電池充電電流，并且不影響輸出充電器電流。這允許輸出充電器在外部適配器可用時設置為大于電流限制。

圖3顯示了輸入和電池電流與負載電流的函數關系。通過將電流限制編程電阻設置為500k，將充電電流編程電阻設置為100k或更小，將輸入電流限制設置為100mA。圖7顯示了電池編程為小于500mA的情況的輸入和電池充電電流。在這種情況下，通過將充電電流編程電阻設置為250k，電池充電電流被設置為200mA。

圖7.輸入和電池電流與高功率模式下負載電流的函數關系，電流限制設置為500mA，充電電流設置為250mA （R中歐普羅格= 100k， R進度= 200k）。

USB兼容性

USB 規范提供兩種電源模式：高功率 （500mA） 和低功耗 （100mA）。LTC4055 上的 HPWR 引腳選擇電源模式。LTC4055 的電流限制應針對高功率模式進行配置，LTC4055 上的功率模式控制引腳 （HPWR） 控制電流限制是針對高功率還是低功率進行設置。在低功耗模式下工作時（見圖8），電流限值設置為編程高功率電流限值的20%，最大充電電流設置為編程電流限值的16%。請注意，電流限制僅適用于來自 LTC4055 輸入端的電流。輸出充電器以編程的充電電流充電。

圖8.輸入和電池電流與低功耗模式下負載電流的函數關系，R中歐普羅格= 100k 和 R進度= 100k，電流限值為100mA，充電電流為80mA。

USB 電源規范規定，高功率應用必須在低至 4.5V 的電壓下工作，低功耗應用必須在低至 4.35V 的電壓下工作。這些電壓包括接口電纜和連接器中的電阻壓降。這假設電纜和連接器完全符合 USB 標準。在電阻壓降超過USB規格預期的情形下，LTC4055 具有一種獨特的功能，使其能夠在這些條件下正常工作。欠壓充電電流限制功能可在輸入端電壓降至約4.4V以下時降低充電電流。這可以防止輸入下降太遠并關閉充電器。電流突然關閉會導致電壓再次上升，重新啟用充電器。然后電壓下降，循環重復。欠壓充電電流限制功能通過調節充電電流來防止這種壓差振蕩，以保持約4.35V的恒定最小輸入電壓。

低功耗總線電流的 USB 規格是器件在掛起狀態下的電流為 500μA。LTC4055 專為允許應用遵守此規格而設計。LTC4055 中集成了一個掛起模式引腳，該引腳可將總線電流減小至大約 100μA。這是通過關閉輸入充電和負載的輸入電源路徑來實現的。如果在此模式下沒有一個外部電源可用，則通過 LTC4055 的理想二極管功能從電池獲取電源，應用將保持活動狀態。

熱調節

LTC4055 內部的熱充電電流調節可保護器件和周圍電路免受過熱的影響，并允許用戶突破給定電路板的功率處理能力極限，而不會有損壞 LTC4055 的風險。如果管芯溫度試圖升至約105°C的預設值以上，內部熱調節會降低編程充電電流。 LTC4055 熱調節的另一個優點是，對于給定應用，充電電流可以根據典型（而非最壞情況）環境溫度進行設置，同時確保充電器在最壞情況下將自動減小電流。熱調節簡化了設計，最大限度地提高了充電電流并防止過熱。

結論

LTC?4055 是一款完整的 PowerPath 控制器和鋰離子電池充電器，適用于便攜式 USB 應用。LTC4055 專為從 USB 提供器件電源和鋰離子電池充電而設計，同時保持 USB 規范規定的電流限值。這是通過在輸出/負載電流增加時降低電池充電電流來實現的。可用總線電流最大化，以最小化電池充電時間。

LTC4055 的多功能性、簡單性、高集成度和小尺寸使其成為許多便攜式 USB 應用的理想選擇。LTC4055 采用小型 16 引腳扁平 4mm × 4mm QFN 封裝。

審核編輯：郭婷