LTC4126-10：低功耗無線鋰電池充電解決方案

在當(dāng)今的電子設(shè)備中，無線充電技術(shù)越來越受到關(guān)注，特別是對于一些小型、低功耗的設(shè)備，如助聽器、無線耳機(jī)和物聯(lián)網(wǎng)可穿戴設(shè)備等。LTC4126-10 作為一款低功耗無線單節(jié)鋰離子電池充電器，集成了降壓 DC/DC 調(diào)節(jié)器，為這些設(shè)備提供了一個(gè)高效、緊湊的充電解決方案。

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一、產(chǎn)品概述

LTC4126-10 是一款專為無線充電設(shè)計(jì)的低功耗電池充電器，集成了降壓 DC/DC 轉(zhuǎn)換器，能夠?yàn)閱喂?jié)鋰離子電池進(jìn)行無線充電，并提供 1.2V 的輸出，適合為助聽器 ASIC 供電。該產(chǎn)品具有以下主要特點(diǎn)：

1. 無線充電功能：支持 DC 至 >10MHz 的寬帶 Rx 頻率，可通過外部 LC 諧振電路無線接收能量。
2. 集成整流器：帶有過壓限制功能，確保充電過程的安全性。
3. 可選擇的充電電壓：通過引腳可選擇 4.1V 或 4.2V 的充電電壓。
4. 固定充電電流：充電電流固定為 10mA，確保電池充電的穩(wěn)定性。
5. 低電池?cái)嚅_功能：當(dāng)電池電壓低于 3.0V 時(shí)，自動斷開電池與負(fù)載的連接，保護(hù)電池。
6. 溫度監(jiān)測功能：通過 NTC 引腳監(jiān)測電池溫度，確保在安全溫度范圍內(nèi)充電。
7. 降壓 DC/DC 調(diào)節(jié)器：提供 1.2V 的穩(wěn)定輸出，最大輸出電流可達(dá) 60mA。
8. 低噪音開關(guān)頻率：開關(guān)頻率設(shè)置為 50kHz 或 75kHz，避免產(chǎn)生可聽噪音。
9. 多種控制方式：支持按鈕和數(shù)字開/關(guān)控制 DC/DC 轉(zhuǎn)換器。
10. 小型封裝：采用 12 引腳 2mm × 2mm LQFN 封裝，適合小型設(shè)備應(yīng)用。

二、工作原理

2.1 AC 電源控制器

LTC4126-10 位于無線充電系統(tǒng)的接收端，通過連接到 ACIN 引腳的外部并聯(lián)諧振 LC 諧振電路，從發(fā)射線圈產(chǎn)生的交變磁場中無線接收能量。整流和輸入功率控制電路將 ACIN 引腳的交流電壓整流，并將整流后的電壓調(diào)節(jié)到 (V{CC}) 引腳，使其低于 (V{CC(HIGH)})（典型值為 5.5V）。此外，該產(chǎn)品也可以通過直接連接 DC 電壓源到 (V_{CC}) 引腳來供電，此時(shí)需將 ACIN 引腳接地。

2.2 電池充電器

LTC4126-10 包含一個(gè)全功能的恒流/恒壓線性電池充電器，具有自動充電、安全定時(shí)器自動終止、壞電池檢測和溫度范圍外充電暫停等功能。充電電流內(nèi)部固定為 10mA，最終充電電壓可通過 (V_{SEL}) 引腳選擇 4.2V 或 4.1V。

• 充電過程：當(dāng) (V{CC}) 引腳電壓比 BAT 引腳電壓高 80mV（典型值）時(shí)，充電器開始嘗試為電池充電，并啟動一個(gè) 3 小時(shí)的充電終止定時(shí)器。當(dāng) (V{CC}) - BAT 差分電壓高于 150mV（典型值）時(shí)，充電器進(jìn)入恒流模式，以 10mA 的額定電流為電池充電。當(dāng) BAT 引腳接近最終充電電壓時(shí)，充電器進(jìn)入恒壓模式，充電電流開始下降。
• 自動充電：充電終止后，如果電池電壓下降到 (V_{RECHRG})（典型值為充電電壓的 97.5%）以下，充電器將自動開始新的充電周期。
• 壞電池故障：如果在 3 小時(shí)的完整充電周期結(jié)束后，電池電壓未能達(dá)到 (V_{RECHRG}) 以上，則認(rèn)為電池有故障，CHRG 引腳的 LED 將快速閃爍（典型值為 4.58Hz）來指示此故障。
• 差分欠壓鎖定（DUVLO）：差分欠壓鎖定電路監(jiān)測 (V{CC}) 和 BAT 之間的差分電壓，當(dāng) (V{CC}) 電壓下降到 BAT 電壓的 27mV（典型值 (Delta V_{UVLO})）以內(nèi)時(shí)，禁用充電器。當(dāng)差分電壓增加到 80mV 時(shí)，充電器恢復(fù)充電。
• 差分欠壓電流限制（DUVCL）：當(dāng) (V_{CC}) - BAT 差分電壓從約 154mV 下降到 116mV 時(shí)，DUVCL 功能會逐漸將充電電流從 10mA 降低到零。當(dāng)充電電流達(dá)到約 4.1mA 時(shí)，CHRG 引腳的 LED 快速閃爍以指示 DUVCL 故障；當(dāng)充電電流達(dá)到約 6.0mA 時(shí)，LED 恢復(fù)慢速閃爍以指示正常操作。
• 溫度合格充電：通過連接到 NTC 引腳的負(fù)溫度系數(shù)（NTC）熱敏電阻監(jiān)測電池溫度。如果電池溫度超出安全充電范圍，IC 將暫停充電，并通過 CHRG 引腳和 STAT 引腳發(fā)出故障信號，直到溫度恢復(fù)到安全范圍。

2.3 DC/DC 轉(zhuǎn)換器

LTC4126-10 包含一個(gè)專有的低噪音多模式電荷泵 DC/DC 轉(zhuǎn)換器，可通過向 EN 引腳施加低電壓（最大 0.4V）或按下按鈕來開啟。該轉(zhuǎn)換器可以與充電器同時(shí)工作，開關(guān)頻率根據(jù)工作模式設(shè)置為 50kHz 或 75kHz，以避免產(chǎn)生可聽噪音。

• 工作模式：根據(jù)電池電壓，電荷泵 DC/DC 轉(zhuǎn)換器有三種工作模式：
  • 模式 1（(V_{BAT}>3.6V)）：電荷泵工作在 3:1 降壓模式，提供穩(wěn)定的 1.2V 輸出，最大輸出電流約為 65mA。
  • 模式 2（3.6V > (V_{BAT}) > 3.3V）：電荷泵仍工作在 3:1 降壓模式，但無法維持 1.2V 調(diào)節(jié)，輸出電壓為電池電壓的三分之一（僅在無負(fù)載時(shí)）。
  • 模式 3（(V_{BAT}<3.3V)）：電荷泵切換到 2:1 降壓模式，再次提供穩(wěn)定的 1.2V 輸出，最大輸出電流隨電池電壓下降，但不低于約 35mA。
• 處理大負(fù)載：在模式 1 或模式 2 下，如果輸出端的大負(fù)載導(dǎo)致輸出電壓下降到 1.05V 以下，轉(zhuǎn)換器將自動切換到模式 3，并嘗試將輸出調(diào)節(jié)到 1.2V。轉(zhuǎn)換器將在模式 3 下保持 1.7s（典型值），然后返回之前的模式。
• 轉(zhuǎn)換器效率：DC/DC 轉(zhuǎn)換器的效率在整個(gè)電池電壓范圍內(nèi)變化，并且很大程度上取決于其工作模式。理論上，模式 1 的最大效率可達(dá) 85.7%（(V{BAT}=4.2V)）和 100%（(V{BAT}=3.6V)）；模式 3 的最大效率可達(dá) 72.7%（(V{BAT}=3.3V)）和 80%（(V{BAT}=3.0V)）。

三、應(yīng)用信息

3.1 無線電力傳輸

在無線電力傳輸系統(tǒng)中，通過發(fā)射線圈中的交流電流產(chǎn)生交變磁場，當(dāng)接收線圈放置在該磁場中時(shí)，會感應(yīng)出交流電流。LTC4126-10 內(nèi)部的二極管將 ACIN 引腳的交流電壓整流。通過將 LC 諧振電路連接到 ACIN 引腳，并調(diào)諧到與發(fā)射線圈交流電流頻率相同的頻率，可以提高跨越氣隙的電力傳輸范圍。

3.2 接收器和單晶體管發(fā)射器

單晶體管發(fā)射器是一種 DC/AC 轉(zhuǎn)換器，可用于驅(qū)動交流電流進(jìn)入發(fā)射線圈。NMOS 晶體管 M1 由 LTC6990 振蕩器產(chǎn)生的 50% 占空比方波驅(qū)動。通過設(shè)置發(fā)射 LC 諧振電路的頻率為驅(qū)動頻率的 1.29 倍，可以顯著降低 M1 的開關(guān)損耗。接收器的 LC 諧振電路（(LRX) 和 (C_{RX})）應(yīng)調(diào)諧到與發(fā)射 LC 諧振電路的驅(qū)動頻率相同。

3.3 選擇發(fā)射功率水平

發(fā)射功率應(yīng)盡可能設(shè)置得低，以在最壞情況下的耦合條件下獲得所需的輸出功率。需要注意的是，雖然 LTC4126-10 能夠分流多余的接收功率以維持 (V{CC}) 電壓在所需范圍內(nèi)，但這可能會導(dǎo)致芯片溫度升高，甚至可能影響電池溫度。因此，在確定發(fā)射功率水平后，應(yīng)在最佳耦合條件下檢查芯片溫度和 ACIN 引腳的最大負(fù)電壓，確保 (V{CC}-V_{ACIN}) 不超過 16V。

3.4 組件選擇

為了確保 LTC4126-10 的最佳性能，應(yīng)選擇具有良好品質(zhì)因數(shù)的接收和發(fā)射線圈，以提高整體電力傳輸效率。在發(fā)射和接收 LC 諧振電路中，應(yīng)使用低 ESR 和低熱系數(shù)的電容器，如 C0G 陶瓷電容器。同時(shí)，應(yīng)選擇高靈敏度的 NTC 熱敏電阻，并根據(jù)需要調(diào)整偏置電阻 (R{BIAS}) 和去敏電阻 (R{D}) 來設(shè)置熱/冷溫度閾值。

3.5 PCB 布局考慮

由于 LTC4126-10 封裝的外露焊盤是唯一的接地引腳，并且是充電器和 DC/DC 轉(zhuǎn)換器的回流路徑，因此必須將其焊接到 PCB 接地層，以確保良好的電氣連接。為了實(shí)現(xiàn)最佳的熱性能，應(yīng)在封裝背面的外露焊盤下方設(shè)置一組過孔，直接連接到內(nèi)部接地平面。同時(shí)，接地平面應(yīng)盡可能靠近 PCB 的頂層，以減少寄生電感。

四、典型應(yīng)用電路

文檔中提供了幾種典型的應(yīng)用電路，包括全功能應(yīng)用電路和最小組件數(shù)量應(yīng)用電路。這些電路展示了如何使用 LTC4126-10 進(jìn)行無線充電設(shè)計(jì)，并提供了詳細(xì)的組件選擇和參數(shù)設(shè)置建議。

五、相關(guān)產(chǎn)品

文檔還介紹了一些與 LTC4126-10 相關(guān)的產(chǎn)品，包括 LTC4120、LTC4123、LTC4125 等，這些產(chǎn)品在無線充電領(lǐng)域具有不同的特點(diǎn)和應(yīng)用場景，可以根據(jù)具體需求進(jìn)行選擇。

LTC4126-10 是一款功能強(qiáng)大、性能優(yōu)越的無線鋰電池充電器，適用于各種低功耗設(shè)備的無線充電應(yīng)用。通過合理的設(shè)計(jì)和組件選擇，可以充分發(fā)揮其優(yōu)勢，為電子設(shè)備提供高效、可靠的充電解決方案。你在實(shí)際應(yīng)用中是否遇到過類似產(chǎn)品的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)呢？你又是如何解決的呢？歡迎在評論區(qū)分享你的經(jīng)驗(yàn)。