探索 LTC4124：高性能無(wú)線鋰離子充電器的設(shè)計(jì)指南

在當(dāng)今電子設(shè)備小型化、便捷化的發(fā)展趨勢(shì)下，無(wú)線充電技術(shù)因其擺脫線纜束縛、增強(qiáng)設(shè)備防水防塵性能等優(yōu)勢(shì)，正逐漸成為眾多便攜式設(shè)備的首選充電方式。今天，我們將深入探討凌力爾特（現(xiàn)屬亞德諾半導(dǎo)體）推出的 LTC4124 無(wú)線鋰離子充電器，它以其豐富的功能、緊湊的封裝和出色的性能，為低功耗便攜式應(yīng)用提供了理想的解決方案。

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一、LTC4124 概述

LTC4124 是一款簡(jiǎn)單高效的無(wú)線單節(jié)鋰離子電池充電器，具備低電池?cái)嚅_(kāi)功能。它集成了無(wú)線電源管理器、全功能線性電池充電器和理想二極管 PowerPath? 控制器三大核心組件，能夠?qū)崿F(xiàn)無(wú)線功率接收、充電管理和電源路徑控制等功能。該芯片采用小巧的 2mm × 2mm LQFN-12 封裝，搭配少量外部元件，即可構(gòu)建出超小尺寸的完整解決方案，非常適合對(duì)空間要求苛刻的低功耗便攜式應(yīng)用。

主要特性

1. 無(wú)線充電與整流：支持從直流到 >10MHz 的寬帶無(wú)線充電頻率，可通過(guò)外部 LC 諧振電路從交變磁場(chǎng)中無(wú)線接收能量，并將其整流為直流電，為電池充電。
2. 充電參數(shù)可配置：通過(guò)引腳選擇，可靈活設(shè)置充電電流（10mA/25mA/50mA/100mA）和充電電壓（4.0V/4.1V/4.2V/4.35V），滿足不同電池和應(yīng)用場(chǎng)景的需求。
3. 低電池?cái)嚅_(kāi)保護(hù)：具備引腳可選的低電池?cái)嚅_(kāi)電壓（2.7V/3.2V），當(dāng)電池電壓低于設(shè)定值時(shí)，自動(dòng)斷開(kāi)電池連接，防止過(guò)放電，延長(zhǎng)電池使用壽命。
4. 溫度保護(hù)：集成 NTC 熱敏電阻輸入，可實(shí)現(xiàn)溫度合格充電功能。當(dāng)電池溫度超出安全范圍時(shí)，暫停充電過(guò)程，待溫度恢復(fù)正常后再繼續(xù)充電，確保充電安全。
5. 安全充電終止：內(nèi)置安全充電終止定時(shí)器，當(dāng)充電時(shí)間達(dá)到設(shè)定值時(shí)，自動(dòng)停止充電，避免過(guò)充。
6. 極低電池漏電流：在斷開(kāi)/運(yùn)輸模式下，電池漏電流幾乎為零，有效減少電池自放電。

應(yīng)用領(lǐng)域

LTC4124 適用于多種低功耗便攜式應(yīng)用，如醫(yī)療無(wú)線傳感器、軍事可穿戴設(shè)備、高端無(wú)線耳機(jī)、藍(lán)牙流媒體耳機(jī)、虛擬現(xiàn)實(shí)頭盔、高端遙控器以及物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備等。

二、技術(shù)參數(shù)詳解

絕對(duì)最大額定值

在使用 LTC4124 時(shí)，必須確保其工作條件在絕對(duì)最大額定值范圍內(nèi)，以避免對(duì)芯片造成永久性損壞。主要參數(shù)包括：輸入電源電壓（如 DCIN、VCC、BAT 為 -0.3V 至 6V，ACIN 為 VCC - 40V 至 VCC + 0.3V）、輸入電源電流（I(ACIN)、I(DCIN) 最大為 200mA）、編程引腳電壓范圍、工作結(jié)溫范圍（-40°C 至 125°C）、存儲(chǔ)溫度范圍（-20°C 至 85°C）以及最大回流溫度（260°C）等。

電氣特性

LTC4124 的電氣特性在不同工作條件下表現(xiàn)出色，以下是一些關(guān)鍵參數(shù)：

1. 電源輸入范圍：DC 輸入電源電壓（VDCIN）工作范圍為 3.3V 至 5.5V，VCC 電源電壓工作范圍為 2.7V 至 5.5V。
2. 靜態(tài)電流：在不同工作狀態(tài)下，芯片的靜態(tài)電流非常低。例如，VCC 輸入靜態(tài)電流（IVCC）在不充電時(shí)最大為 250μA，電池靜態(tài)電流（IBAT）在充電完成或不充電且 VCC > VBAT 時(shí)最大為 7μA，在斷開(kāi)模式和運(yùn)輸模式下，電池漏電流最大僅為 50nA。
3. 充電參數(shù)：充電電流和充電電壓的精度較高，且可通過(guò)引腳編程設(shè)置。例如，在恒定電流模式下，不同引腳設(shè)置對(duì)應(yīng)的充電電流分別為 8.5mA 至 11.5mA、22mA 至 27.5mA、45mA 至 53.5mA 和 95mA 至 103.5mA；充電電壓可設(shè)置為 3.990V 至 4.361V 之間的四個(gè)檔位。
4. 溫度保護(hù)參數(shù)：NTC 輸入可檢測(cè)電池溫度，通過(guò)設(shè)置不同的閾值實(shí)現(xiàn)對(duì)充電過(guò)程的溫度控制。例如，NTC 冷閾值（VNTC(COLD)）為 VCC 的 73% 至 77%，熱閾值（VNTC(HOT)）為 VCC 的 33% 至 37%，當(dāng) NTC 引腳電壓超出這些范圍時(shí)，充電將暫停。

三、引腳功能與操作原理

引腳功能

LTC4124 共有 12 個(gè)引腳，每個(gè)引腳都有特定的功能，以下是主要引腳的介紹：

1. VCC（引腳 1）：系統(tǒng)直流電源輸入引腳，電壓范圍為 2.7V 至 5.5V。內(nèi)部通過(guò)二極管與 ACIN 和 DCIN 引腳相連，其電壓由 DCIN 電壓和 ACIN 引腳的峰值交流電壓中的較高者決定。
2. CHRG（引腳 2）：充電狀態(tài)指示引腳，為開(kāi)漏輸出，內(nèi)部有 300μA 的下拉電流源。通過(guò)連接 LED 到 VCC，可根據(jù)該引腳的不同狀態(tài)指示充電狀態(tài)，如高阻抗表示無(wú)輸入電源，慢速閃爍（0.8Hz）表示正在充電，快速閃爍（6Hz）表示因電池溫度異常、檢測(cè)到壞電池或欠壓電流限制而暫停充電，下拉狀態(tài)表示充電結(jié)束或達(dá)到 C/10 充電電流。
3. PRECHG（引腳 3）：預(yù)充電使能引腳，將其連接到 VCC 可在電池電壓低于預(yù)充電閾值時(shí)啟用小電流預(yù)充電功能，連接到 GND 則禁用該功能。
4. VSEL1 和 VSEL2（引腳 4 和 5）：充電電壓選擇引腳，通過(guò)將這兩個(gè)引腳分別連接到 VCC 或 GND，可設(shè)置電池的充電電壓。
5. ISEL1 和 ISEL2（引腳 6 和 7）：充電電流選擇引腳，通過(guò)將這兩個(gè)引腳分別連接到 VCC 或 GND，可設(shè)置電池的充電電流。
6. LBSEL（引腳 8）：低電池?cái)嚅_(kāi)電壓選擇引腳，連接到 VCC 或 GND 可設(shè)置低電池?cái)嚅_(kāi)電壓為 3.2V 或 2.7V。
7. NTC（引腳 9）：熱敏電阻輸入引腳，連接一個(gè) 100kΩ 的 NTC 熱敏電阻到 GND，用于檢測(cè)電池溫度，實(shí)現(xiàn)溫度合格充電功能。
8. BAT（引腳 10）：電池連接引腳，將鋰離子電池連接到該引腳。
9. ACIN（引腳 11）：交流輸入電源電壓引腳，連接外部 LC 諧振電路，用于無(wú)線接收能量。當(dāng)該引腳的峰值電壓高于 DCIN 引腳電壓時(shí)，為 VCC 引腳供電。
10. DCIN（引腳 12）：可選的直流輸入電源電壓引腳，電壓范圍為 3.3V 至 5.5V。當(dāng)該引腳電壓高于 ACIN 引腳的峰值電壓時(shí)，為 VCC 引腳供電。
11. GND（引腳 13）：設(shè)備接地引腳，需連接到 PCB 的銅接地平面，以確保良好的電氣性能和散熱性能。

操作原理

無(wú)線電源管理

LTC4124 通過(guò)連接到 ACIN 引腳的外部平行諧振 LC 電路，從發(fā)射線圈產(chǎn)生的交變磁場(chǎng)中無(wú)線接收能量。內(nèi)部二極管 D1 對(duì) ACIN 引腳的交流電壓進(jìn)行整流，比較器 CP1、開(kāi)關(guān) SW1 和 SW2 協(xié)同工作，將 VCC 引腳的整流電壓調(diào)節(jié)到電池電壓（BAT）以上 0.85V 至 1.05V 之間（前提是 BAT ≥ 2.8V）。此外，該芯片還支持通過(guò) DCIN 引腳連接直流電源供電，內(nèi)部二極管 D1 和 D2 會(huì)選擇 DCIN 引腳電壓和 ACIN 引腳峰值交流電壓中的較高者作為 VCC 引腳的電源。

電池充電

LTC4124 內(nèi)置了一個(gè)引腳可編程的全功能 CC/CV（恒流/恒壓）線性電池充電器，具備安全定時(shí)器終止、壞電池檢測(cè)、溫度合格安全充電和自動(dòng)充電等功能。充電過(guò)程如下：

1. 充電啟動(dòng)：當(dāng) VCC 引腳電壓達(dá)到 3.4V 時(shí)，充電器開(kāi)始嘗試對(duì)電池充電，啟動(dòng)充電周期。
2. 恒流充電（CC 模式）：在充電周期開(kāi)始時(shí)，當(dāng)電池電壓低于充電閾值（通常為最終充電電壓的 97.6%）時(shí)，充電器進(jìn)入 CC 模式，以設(shè)定的充電電流對(duì)電池進(jìn)行充電。
3. 恒壓充電（CV 模式）：當(dāng)電池電壓接近最終充電電壓時(shí)，充電器進(jìn)入 CV 模式，充電電流開(kāi)始下降，同時(shí)啟動(dòng) 3 小時(shí)的充電終止定時(shí)器。當(dāng)充電電流下降到設(shè)定充電電流的 10% 時(shí)，CHRG 引腳停止閃爍并變?yōu)橄吕瓲顟B(tài)，但充電仍以持續(xù)減小的小電流繼續(xù)進(jìn)行，直到 3 小時(shí)充電終止時(shí)間到期，充電完全停止。
4. 自動(dòng)充電：充電終止后，如果電池電壓因自放電或芯片的微小電流消耗而下降到充電閾值以下，充電器將自動(dòng)啟動(dòng)新的充電周期。
5. 涓流充電：通過(guò)將 PRECHG 引腳連接到 VCC，可啟用涓流充電功能。當(dāng)電池電壓低于預(yù)充電閾值（通常為設(shè)定充電電壓的 68%）時(shí)，在 CC 模式下，充電電流將降低到設(shè)定充電電流的 10%。
6. 壞電池檢測(cè)：如果在任何充電周期中，電池電壓在壞電池檢測(cè)時(shí)間（tBB，通常為 30 至 60 分鐘）內(nèi)一直低于預(yù)充電閾值，CHRG 引腳將快速閃爍（6Hz），表示檢測(cè)到壞電池。
7. 欠壓電流限制（UVCL）：當(dāng) VCC 電壓下降到 3.4V 時(shí)，充電器會(huì)逐漸將充電電流從設(shè)定值降低到零。當(dāng) VCC 電壓低于 3.45V 時(shí)，CHRG 引腳快速閃爍（6Hz），表示出現(xiàn) UVCL 故障。該功能可避免因無(wú)線功率不足導(dǎo)致的充電不穩(wěn)定問(wèn)題。
8. 溫度合格充電：通過(guò)連接到 NTC 引腳的 100kΩ NTC 熱敏電阻，可檢測(cè)電池溫度。當(dāng) NTC 引腳電壓高于 VCC 的 75% 或低于 VCC 的 35% 時(shí)，充電器將暫停充電，待溫度恢復(fù)到 VCC 的 40% 至 70% 范圍內(nèi)時(shí)，充電繼續(xù)進(jìn)行。

低電池?cái)嚅_(kāi)與運(yùn)輸模式

當(dāng)無(wú)輸入電源且電池電壓低于斷開(kāi)電壓（VBAT_LBDIS）時(shí)，LTC4124 會(huì)關(guān)閉，打開(kāi)斷開(kāi)開(kāi)關(guān) M3，消除電池的任何電流消耗，保護(hù)電池免受過(guò)度放電的損害。運(yùn)輸模式可通過(guò)特定的操作激活，激活后，無(wú)論電池電壓如何，芯片都能消除電池的電流消耗，確保設(shè)備在出廠運(yùn)輸過(guò)程中電池電量保持穩(wěn)定。

理想二極管電源路徑

當(dāng) LTC4124 不在低電池?cái)嚅_(kāi)模式或運(yùn)輸模式時(shí)，理想二極管控制模塊會(huì)調(diào)節(jié) VCC 電壓，使電池引腳（BAT）到 VCC 引腳的電壓降保持在 50mV，實(shí)現(xiàn)低損耗傳導(dǎo)。在高負(fù)載電流時(shí)，開(kāi)關(guān) M2 完全導(dǎo)通，其導(dǎo)通電阻與連接 BAT 到 VCC 的 M3 電阻相加。充電器控制模塊驅(qū)動(dòng) M1 和理想二極管控制模塊驅(qū)動(dòng) M2 協(xié)同工作，可實(shí)現(xiàn)從充電模式到低損耗放電模式的平滑過(guò)渡。

四、應(yīng)用電路設(shè)計(jì)

組件選擇

最簡(jiǎn)單應(yīng)用電路

在僅使用直流輸入電壓且無(wú)需無(wú)線功率輸入的最簡(jiǎn)單應(yīng)用中，使用 LTC4124 構(gòu)建單節(jié)鋰離子電池充電器無(wú)需任何外部元件。但這種應(yīng)用不具備溫度合格充電功能和可視化充電狀態(tài)指示。

添加溫度保護(hù)和充電指示

為了實(shí)現(xiàn)溫度合格充電功能，需要在 NTC 引腳和 GND 之間連接一個(gè) 100kΩ 的 NTC 熱敏電阻。推薦使用 TDK 的 NTCG064EF104F 或村田的 NCP03WF104F 等型號(hào)。為了添加可視化充電狀態(tài)指示，可在 VCC 引腳和 CHRG 引腳之間連接一個(gè) LED，推薦使用 Kingbright 的 APG0603VGC 或 APG0603SEC-E-TT 等型號(hào)。

無(wú)線功率組件

為了使 LTC4124 能夠無(wú)線接收能量，需要在 ACIN 引腳連接一個(gè)平行 LC 諧振電路。

1. 接收線圈/諧振電感 L：選擇接收線圈時(shí)，最重要的因素是線圈的品質(zhì)因數(shù)（Q），Q 值越高，能量傳輸效率越高。計(jì)算公式為 (Q{L}=frac{omega{n} L}{R{S}})，其中 (omega{n}) 是工作諧振頻率（rad/s），(R_{S}) 是線圈的寄生串聯(lián)電阻。通常，應(yīng)用的尺寸會(huì)限制 Q 值，因此建議先考慮最終應(yīng)用的整體尺寸，再選擇合適的最大線圈。此外，使用鐵氧體磁芯可以提高線圈的自感值和 Q 值，改善線圈之間的耦合和互感，從而提高功率傳輸效率。推薦的接收線圈型號(hào)包括 Wurth Elektronik 的 760308101216（7.2μH，6mm 直徑）、760308101208（13μH，10mm 直徑）和 760308101220（12.6μH，17mm 直徑）等。
2. 諧振頻率選擇：雖然較高的工作頻率可以提高線圈的品質(zhì)因數(shù)，但也存在一些限制。一是線圈的自諧振頻率，工作頻率應(yīng)至少比線圈自諧振頻率低 5 倍，以確保通過(guò)選擇合適的諧振電容值能很好地控制工作頻率。二是發(fā)射電路驅(qū)動(dòng)能力和效率，較高的工作頻率會(huì)增加發(fā)射電路中某些元件的開(kāi)關(guān)速度和開(kāi)關(guān)損耗，降低整體效率。因此，用戶應(yīng)根據(jù)所選線圈和發(fā)射電路驅(qū)動(dòng)的情況，選擇合適的高工作頻率。LTC4124 適用于諧振頻率在 50kHz 至 10MHz 之間的系統(tǒng)。
3. 諧振電容 C：選定線圈和工作頻率后，諧振電容的值可根據(jù)公式 (C=frac{1}{omega{n}^{2} L}) 計(jì)算得出，其中 (omega{n}) 是工作諧振頻率（rad/s），(L) 是接收線圈電感。建議選擇低 ESR 和低熱系數(shù)的陶瓷電容，如 COG 或 X7R 類(lèi)型。推薦的諧振電容型號(hào)包括村田的 GRM155R71H332JA01D（50V，0402，3.3nF）、GRM155R71H683KE14J（50V，0402，68nF）等。
4. 發(fā)射功率電平選擇：發(fā)射功率電平應(yīng)盡可能設(shè)置得低，以確保接收器在最壞情況下的耦合條件（即最大發(fā)射距離和最差對(duì)齊情況）下仍能接收到所需的輸出功率。需要注意的是，LTC4124 雖然能夠分流多余的接收功率以維持 VCC 電壓在所需范圍內(nèi)，但在分流過(guò)多功率時(shí)會(huì)導(dǎo)致溫度升高。因此，需要仔細(xì)評(píng)估應(yīng)用需求，確保 LTC4124 和最終應(yīng)用的工作溫度范圍不被超過(guò)?？梢酝ㄟ^(guò)實(shí)驗(yàn)方法確定發(fā)射功率電平，也可以使用公式計(jì)算接收器 ACIN 引腳的最大負(fù)電壓，以確保不超過(guò) 40V。

PCB 布局考慮

由于 LTC4124 封裝的裸露焊盤(pán)是唯一的接地連接，且作為充電器和 DC/DC 轉(zhuǎn)換器的回流路徑，因此必須將其焊接到 PCB 的接地平面上，以確保良好的電氣連接。無(wú)線電源管理模塊中的分流電路會(huì)在芯片內(nèi)部消耗一些功率，可能導(dǎo)致管芯溫度升高。為了獲得最佳的散熱性能，應(yīng)在裸露焊盤(pán)下方設(shè)置一組過(guò)孔，直接通向第二層的接地平面。推薦的 PCB 布局可參考文檔中的示例，其直徑僅為 5.2mm，可實(shí)現(xiàn)引腳可編程設(shè)置的所有排列組合。

五、設(shè)計(jì)實(shí)例分析

單晶體管發(fā)射機(jī)和 LTC4124 10mA 充電器接收器

該設(shè)計(jì)實(shí)例使用一個(gè)單晶體管發(fā)射機(jī)作為 DC/AC 轉(zhuǎn)換器，驅(qū)動(dòng)交流電流進(jìn)入發(fā)射線圈 (LTX)。NMOS 開(kāi)關(guān) M1 由 LTC6990 振蕩器產(chǎn)生的 50% 占空比方波驅(qū)動(dòng)。通過(guò)合理設(shè)置發(fā)射 LC 諧振電路的頻率和驅(qū)動(dòng)頻率，可以實(shí)現(xiàn)零電壓開(kāi)關(guān)（ZVS），顯著降低開(kāi)關(guān)損耗。具體設(shè)計(jì)步驟如下：

1. 確定接收器諧振頻率和 LC 諧振電路組件值：選擇接收器諧振頻率時(shí)，應(yīng)使其至少比線圈的自諧振頻率低 5 倍，并在發(fā)射電路驅(qū)動(dòng)能力范圍內(nèi)。在本實(shí)例中，選擇 1MHz 作為接收器諧振頻率，根據(jù)公式計(jì)算出所需的諧振電容 (C_{RX}) 為 3.3nF。選擇具有合適電壓額定值和小尺寸的電容，如 25V、0603