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对于现今的智能手机、平板电脑、移动销售终端等便携式设备来说，电池使用时间和充电时间都成了问题，主要是因为越来越强大的处理器对电源的消耗也越来越大了，电池的容量必须不断增长以满足使用时长的需求。要对大容量的电池进行充电，延长充电时间或加大充电电流以缩短充电时间就成了必然的选择，而为了使用上的便利性，选择加大充电电流必然成为最后的唯一选项。 要用大电流对电池进行充电，传统的线性充电器件受到诸多限制，以开关模式工作的充电器件走上前台成为大多数情况下的必然之选。本文针对开关模式充电器件在单节锂离子电池充电应用中的问题进行解释，同时根据几种不同的需求介绍三款不同型号的立锜器件：RT9458(1.55A)，RT9460(3A)，RT9466(5A)。 
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2019-7-19 16:02:36
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3.对锂离子电池进行快充面临的挑战
在对锂离子电池进行快速充电的实践中，有许多实际的因素对理想充电条件的达成构成了限制条件，图2对此进行了表达。 图2 · 电源供应器可能提供不了足够的电流和电压以满足快速充电的需求，这种状况在从USB端口取电时尤其突出，因为它们具有严格的输出电流限制。 · 充电电流变大以后，充电器件和电池连接线路上的电阻（包括PCB线路电阻、连接器电阻、保护用MOSFET的导通电阻和电池内阻等）上的电压降都会变大，这将导致检测到的电池电压和实际的电池电压之间的差异。 · 快充会导致电池温升的提高，因此大部分充电器件都会对电池温度进行检测，并在温度太高时降低充电电流和/或电压以避免过热状况的发生。 · 当系统功率消耗与电池充电功率的和超过电源供应器的最大供应能力时，系统消耗的增加就意味着电池充电电流的减少。 |
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4.开关模式充电器件的应用和它们的特殊功能
图3显示了开关模式充电器件的典型应用状况： 图3 在实际应用中，充电IC的电源供应常常来源于USB端口，而开关模式充电器件实际上就是基本的Buck架构转换器再加上输出电压和输出电流的控制回路而形成的，其作用是将VBUS电压转换为适合系统供电用的电压，同时为电池进行充电。大多数应用系统都会有一个应用处理器，它可以对接入的USB端口的供电能力进行检测，再根据此能力和所用电池的类型对充电的参数进行设定，而开关模式充电器件也含有很多与电池充电有关的功能与之进行配合，它们也同时具有对输入电压和电流进行控制的能力以适配具体的环境。下面的段落将对开关模式充电器件的特殊功能进行描述，说明它们是如何与USB端口的能力进行配合的，又是如何对充电参数进行优化的。 平均输入电流调整(AICR) 大多数开关模式充电器件都会将平均输入电流调整（AICR）的功能纳入其设计中，其目标是通过对充电电流的调节使充电器的输入电流不要超过某个门限，而输入电流的门限是根据供电源的负载能力来进行调整的，这种调整可以通过I2C接口进行，或是通过对USB端口的自动检测来实现。 开关模式充电器的输入电流由下述公式予以确定： 其中的η是充电器的转换效率。很显然，在AICR模式下，当电池电压上升以后，充入电池的电流将会降低。 最低输入电压调整(MIVR) 由于不能总是清楚地知道与之连接的电源的种类，充电器件试图吸入的电流超过电源供应能力的状况是有可能发生的。为了避免这种问题，在充电器件中加入最低输入电压控制回路就成了合理的选择，它能对充电器的输入电压进行监测，并在输入电压下降至一定水平时降低电池充电电流使输入电压维持在某个阈值之上。假如通过USB端口进行充电，MIVR的水平就可以设定为4.5V，这样可以确保该USB端口不会出现过载的情形。 通过D+ 和D- 对USB充电端口进行检测 标准的USB 2.0端口只能提供500mA的电流，因此，当利用它为设备充电时，充电器的输入电流就必须低于500mA以避免造成端口过载。因为这个原因，大多数开关模式充电器都会在开始工作时就进入AICR = 500mA的模式。为了让USB端口能够通过更大的电流，USB-IF所制订的USB电池充电标准BC1.2定义了一套通过USB端口进行交流的方法，将D+ 和D- 数据线引入其中，使之能够发挥更大的效用。它所定义的端口类型有3种： · 标准下行端口(SDP, Standard Downstream Port)，它的D+ 和D- 各有一只15k电阻连接到GND。 · 专用充电端口(DCP, Dedicated Charging Port)，它的D+ 和D- 连接在一起。 · 充电下行端口(CDP, Charging Downstream Port)，它包含了一些逻辑电路，能够与检测电路进行握手操作。 SDP端口可以提供500mA电流输出，DCP和CDP则都能提供至少1.5A的电流输出。DCP端口是不能通过D+ 和D- 进行数据传输的，而CDP则仍然保留了通过D+ 和D- 进行数据传输的能力。 除了BC1.2所定义的方法以外，一些品牌厂商制订了自己的通过D+/D- 进行识别的方法。如Apple、Samsung、Sony和Nokia等厂商，它们的电源适配器都使用了自己定义的电阻分压器在D+ 和D- 上，便于它们自己的产品进行识别。 充电IC可以在上电过程中对USB端口上的D+ 和D- 线进行检测以确定自己连接到的端口类型，然后再据此设定AICR的电流阈值，确保与USB端口的类别或是电源适配器的能力是匹配的。 IR补偿功能 如图2显示的那样，充电器件的输出到电池之间的路径上存在PCB路径电阻、电池连接器阻抗、电池保护用MOSFET的导通电阻以及电池的内部阻抗，它们会在充电器件的电压检测端子和实际的电池之间形成压差，这种作用在较高的充电电流下会变得更明显，可以导致充电IC提前进入CV模式，其结果就是使CV充电的时间更长，因而加长了总的充电时间，此作用用图形来表达就如图4所示的那样。 图4 为了消除IR压降所带来的影响，一些开关模式充电器件导入了可编程的IR压降补偿功能，可对充电IC所检测到的电压进行与实际电流有关的补偿，补偿的依据是充电IC与电池之间的总电阻的大小。添加了IR压降补偿的充电曲线显示在图5中。 图 5 在不同的温度下对电池进行充电 很多开关模式充电器件都能按照JEITA所制订的规范在不同的温度下采取不同的充电策略，它们把实用的温度范围分成5个区间（冷，凉，常温，暖，热），并在不同的区间实施不同的充电参数。在冷、热区间里，充电是被禁止的；在凉、暖区间里，建议将充电电流和充电电压之一或是两者都降下来；在常温区间里，充电电压和充电电流都保持在正常值。具体的规则见图6。 图6 图 7 对电池温度进行检测的方法是将电池包中的NTC热敏电阻和充电IC连接起来，并通过一个由IC生成的参考电压供电的电阻分压器进行偏置（如图7所示）。RTH1和RTH2的值可以根据所选热敏电阻的类型进行选择，其目标是使热敏电阻在0°C 和 60°C下所形成的TS端电压与IC内部的判定冷和热的阈值刚好一致。此后，充电IC即可自动改变其在凉、暖温区的充电参数，并在冷、热温区里进入充电挂起状态。大部分充电IC都容许对凉、暖温区的充电参数进行程序化的改变。图7除了给出电池温度检测的方法外，还给出了在不同温度区间对充电电流和电压进行修改的例子。 自动电源路径管理 具有自动电源路径管理功能的开关模式充电器件具有为系统负载选择电源的能力。在图8所示的电路中，充电器件与电源适配器连接，电池正在被充电，系统也正在被供电，这时的电源路径MOSFET处于导通状态，Buck功率级在为系统提供工作电流的同时也在为电池提供充电电流。 图 8: 充电器同时为系统和电池充电提供电流 在系统负载很重的时候，电池电流可以倒转过来，实际上就是适配器和电池一起向负载供电（如图9所示）。 图 9: 充电器和电池一起为负载供电 当电池被充满了的时候，作为电流通道存在的MOSFET开关就会被关断，这时候就只有适配器在向系统负载供电了（如图10所示）。某些充电器件具有一种被称为工厂模式的状态，它能在没有电池存在的情况下为系统提供稳定的工作电压。 图10: 电池充满状态：充电器仅为系统供电 当适配器被移除时，电源路径控制开关将会自动接通，电池开始向系统负载供电，此时位于VIN进入路径上起阻断作用的MOSFET开关将会关断，开始发挥其应有的作用。（见图11） 图11: 充电器件没有了输入，电池开始为负载供电 假如设备将在很长一段时间内不会被使用（例如处于运输阶段），某些充电器件还能进入运输模式。在运输模式下，用于电源路径管理的MOSFET会被关断，这样就可将电池电量的损耗降低到最小化。只要重新接入外部电源，或是通过I2C接口发送命令，充电器件的运输模式就可以被终止。参见图12。 图 12: 处于运输模式的充电器件，电池消耗降到了最低 USB On-The-Go (OTG)功能 有些便携式设备的USB端口可以承担多种角色：与适配器连接的时候是充电的电源输入端口；与slave（从设备）如闪存盘、数码相机、鼠标或键盘连接的时候是Host（主机）端口；还可以作为slave（从设备）与PC连接起来进行数据交换。这样的设计意味着此端口在某些时候是电源输入端，有些时候又需要向外部连接的设备供电，有些时候就完全是一个slave端口。USB On-The-Go(OTG)对这样的端口进行了定义，它在小型和微型USB连接器里新增了一个ID端子，目的是对设备的Host或slave角色进行标识。在有这样的端口的设备中，应用处理器通过检测ID端的状态并和连接设备进行通讯来决定它到底是Host还是slave，也由此决定它是否需要向外部设备供电。在Host状态下，应用处理器将激活开关模式充电器件的OTG模式，它将使其在充电时工作在Buck模式下的MOSFET开关以同步Boost方式工作，从电池取电将MID端的电压提升到5V，再打开连接MID端和VIN端的阻断开关使5V电压输出到端口上。充电器件的OTG工作状态显示在图13中。 图13 工作在Boost模式下的转换器的输出电流限制是可编程的，这就容许OTG模式的输出可以兼容于普通的USB端口。 某些充电IC的反向阻止开关可以被禁止导通，这样就使得位于MID端的Boost转换器的输出可以作为独立的5V电源来使用，移动电源方案通常就是这样做的。 用高输入电压进行充电 在以5V作为输入电压时，电池充电的大电流很容易就能导致高输入电流的形成，因为锂离子电池的电压并没有比5V低多少，由适配器的电流限制和电缆、连接器的电流限制很快就会成为大电流充电的限制因素（举例而言，微型USB连接器的最大电流承受能力就只有1.8A）。新型的开关模式充电器件通常能够工作在更高的输入电压下，这样就可以使用高于5V的输入电压（例如9V、12V）。由于降压型开关模式充电器的输入电流是由公式 对于可以改变输入电压的充电系统来说，出现在USB端口上的初始电压必须仍然是5V以避免对标准的单5V系统造成伤害。这样的系统在连接以后会有通讯信号在充电器件和适配器之间进行传递，以便出现在USB VBUS上的电压是可以提高的，很多公司已经开发了自己的特殊通讯方法来完成这一任务。 高通公司解决此问题的方法是定义了QuickChargeTM协议，它使用D+ 和D- 信号线与适配器进行沟通。 MediaTek所发展的方法被称为MTK Pump ExpressTM，它让充电IC对输入电流进行调制以实现和适配器之间的通讯。 使用全新USB C型接口的设备可以利用标准的USB PD协议在充电器件和适配器之间进行通讯，它可让VBUS上的电压在5V~20V之间变化，而电流则可以高达5A。 |
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5.开关模式充电IC实例
立锜科技的产品目录中包含了大量的单节锂离子电池充电IC，它们可以被分为三种类型：线性充电IC，开关模式充电IC和无线充电IC。在本文中，我们将向你介绍三种不同的开关模式充电IC：RT9458, RT9460, RT9466。实际上，它们也分别具有不同的能力，下面的比较表将把它们的基本异同表现出来。 基本功能比较
充电参数比较
USB OTG Boost参数
保护功能
RT9458 RT9458是一款最基本的开关模式充电IC，主要的应用目标是取代线性充电IC以提高效率、优化小电流适配器用于充电时的体验，它具有1.5A电流充电能力，适合用于1.8Ah以下的中低容量锂离子电池应用中。 图14 图14显示了RT9458的典型应用电路图，它使用了一只外接电阻进行电池电流检测。由于不含电源路径管理功能，系统负载直接和电池连接在一起。 RT9458需要使用I2C接口对其进行控制以完成常规的充电过程，它的内部含有负责安全的看门狗定时器，而它需要受到定期的关照以在确保安全的状态下对电池进行充电，因而不能将RT9458作为独立的充电器件来使用。 图15显示了以开关模式工作的RT9458在面临500mA的USB电流限制情况下相对线性充电IC的好处：线性充电IC的最大充电电流就等于USB端口的500mA电流限制，而开关方式充电IC的最大充电电流则远高于500mA的输入电流限制，这在电池电压很低时表现尤为明显，因而在用开关方式充电IC进行充电时所需要的时间会更短，而充电IC的发热量也会更小。 图15 关于RT9458的设计资源 图 16 为了让用户能够顺利使用上开关模式充电IC，立锜提供了RT9458专用的评估工具，它是一个完整的评估板，其中包含了RT9458芯片和能让它工作起来的全部外围器件，还有大量的测试和连接端子，只要连接上电源、电池和含有I2C接口的MCU，系统就可以工作起来了。 此外，立锜也为用户准备了专用的I2C接口转换工具，可将评估板和PC系统连接起来，并有专用的图形用户界面可供使用，方便用户直接对芯片的内部寄存器进行读写操作。关于该工具的状况，请参阅Richtek Wrenboard utility。 RT9460 RT9460是更先进一些的开关模式充电IC，它具有适配器检测能力，充电电流达到3A，具有动态电源路径控制能力，可对电池温度进行侦测并采取相应措施，输入电压范围达4.3V~12V，适合用于电池容量达2.5Ah~2.8Ah的大容量电池应用中。由于具有适配器检测能力，它可根据BC1.2的规定对各种端口进行分辨，可以识别出几大品牌的适配器类型并根据检测的结果选择最优的输入电流限制参数，能在供电源不出现过载的情况下以最快的速度对电池进行充电。 图17 图17显示的是RT9460的典型应用电路，当输入电压通过USB端口接入时，RT9460将执行一连串的动作进行适配器检测，它会去检测D+/D-线上的电压水平，通过一些列的连接和握手过程测知适配器的电流供应能力，其结果可以通过读取其内部寄存器获得。 在充电模式下，Buck架构的功率级将生成可供系统使用的输出电压和为电池充电的电流。流过路径控制MOSFET的电池充电电流将会受到检测，而外部MOSFET Q1则处于关断状态。当外部适配器被移除以后，电池将通过内部MOSFET向系统供电，可选的外部MOSFET Q1也可打开以降低BAT和SYS之间的电压降。 在OTG模式下，功率开关的配置转换为Boost架构，它将MID端的电压提升到所需的OTG电压，再通过导通了的反向阻断MOSFET通向VIN端形成输出。OTG输出的电流限制为两档（ 0.5A和1A ），用户可以根据需要进行选择。电池温度可通过NTC热敏电阻进行侦测，共有5个JEITA规定的温度区间可供使用，充电电流可在凉、温两个区间里发生改变。 如果没有I2C接口的控制命令，RT9460即以独立的充电方式进行工作，所有的工作参数是已经预设好的：充电电流1.25A，额定电池充电电压为4.0V，输入电流限制因OTG端的状态不同可有两种选择：OTG为低电平时，AICR = 500mA；OTG为高电平时，AICR = 1A。OTG Boost状态在独立运行模式下无法实现，它只能通过I2C总线命令才能生效。 RT9460的工作电压范围很宽，使得它可在很高的电压如9V/12V下工作，这样就有可能用它去实施MTK Pump ExpressTM协议，只要通过应用处理器经I2C接口向它发送输入电流调整的指令，兼容于Pump ExpressTM协议的适配器就可以根据其中蕴含的指令去改变输出电压。它也可以和USB PD控制器配合工作，通过其发送指令去改变VBUS上的电压。 关于RT9460的设计资源 图18 立锜可向用户提供RT9460的评估套件，其中包含了一块RT9460的评估板，板上含有RT9460芯片和全部外围器件、测试和连接端子。利用立锜的I2C接口调试工具Richtek Wrenboard utility与之配合工作可以对其内部寄存器进行读写操作，相应的图形用户界面也可提供用户使用。参见图18。 RT9466 RT9466是一款强大的开关模式充电IC，输入电压范围为4V~14V，充电电流可达5A，可对高端智能手机、平板电脑所用的大容量电池进行充电，它们的电池容量可能高达3~4Ah。在这么高的电流下对电池进行充电需要对电池状态进行严密的监控，而RT9466则将精确的电池电压和电流的检测机制和报告机制都收纳其中，还能进行IR补偿、电池过压保护、在过热条件下降低充电电流，集成了超低RDS(ON)的电源路径开关和切换开关。图19显示了RT9466的典型应用电路图。 图19 RT9466有一些端子可以用于设定其工作参数，使得它在没有I2C控制指令的情况下也能很好地工作： PSEL可用于电源选择，PSEL为高电平时将输入电流限制设定为500mA以符合标准USB接口的规格，PSEL为低电平时将输入电流限制设定为3.25A以满足适配器供电应用的需要。 连接在ILIM端的外接电阻RILIM可按照355AΩ/RILIM的规格设定最大输入电流限制。当芯片进入启动状态时，输入电流限制是以由PSEL和ILIM所设定的数据中的最小值为依据进行工作的。 STAT端可对充电状态进行指示，PG端可指示VBUS的欠压或过压状态。 RT9466支持运输模式，该模式下的电源路径控制开关处于断开状态，电池的消耗被最小化，这种模式可用QON端子的状态改变来使之退出。 RT9466可通过NTC热敏电阻进行电池温度检测，并按JEITA所制订的规范将温度区间分为5个，充电电压和充电电流在凉、温两个区间里都会被改变。 RT9466也有很强大的OTG工作能力，其最大电流输出能力为2.4A，输出电压和电流限制均可通过I2C接口进行调节。 虽然RT9466可以工作在没有I2C指令控制的独立模式，但它在此模式下的工作参数是受限的：充电电流为2A，电池充满电压为4.2V，输入电流限制阈值取决于PSEL端的状态和ILIM端外接电阻的大小，充电终止电流检测的功能也处于停用状态，因而独立工作的RT9466会进入涓流充电状态。此外，RT9466的OTG Boost工作模式也只能通过I2C指令才能被启动，独立工作的RT9466是不会进入此状态的。 RT9466的IR压降补偿功能 图 20 高充电电流会导致IC电池电压检测的错误，因为PCB路径和电池内阻会形成较高的压降，通过在RT9466的BAT_COMP寄存器和VCLAMP寄存器设置数据能够对此进行补偿。BAT_COMP中能够置入的数据介于0Ω ~ 175mΩ之间，步进级距为25mΩ，RT9466将据此数据为测量到的电池电压数据添加一个偏移量为ICHARGE actual *BAT_COMP的数据以修正由IR压降所带来的误差。偏移量的最大值是有限制的，这由VCLAMP寄存器中的数据所决定。 设计师应当确保BAT_COMP值的选择是稳妥的，确保不会导致电池过充。设定正确的BAT_COMP值可以加长恒流快充阶段的时间，因而可以缩减总的充电时间。在一个PCB路径电阻和电池内阻总共为50mΩ、充电电流为2A的实际案例中，通过将BAT_COMP中的数据设定为50mΩ使得总的充电时间缩短了18分钟，参见图21的记录。 图21 对MediaTek Pump Express的支持 RT9466的设计中包含了所有实施MTK Pump ExpressTM (PE+) 1.0/2.0的硬件逻辑，当此功能被激活时，它就可以按照PE+标准的规定在输入电流上生成以电流为载体的指令脉冲。假如与之连接的适配器是与PE+相容的，它就可以从这电流脉冲串中解析出指令数据并根据这些指令改变其输出电压。这样的系统的工作状况显示在图22中。 图22 PE+ 1.0容许VBUS电压在5V/7V/9V/12V上进行增减跳变；PE+ 2.0容许VBUS电压以0.5V的步幅在5.5V~20V之间跳变，容许对适配器进行健康检查，可以开启或关闭适配器的电缆压降补偿功能。较高的VBUS电压可以将输入电流降低，可以在不超过适配器电流限制或电缆、连接器电流限制的情况下实现大电流充电。 图23展示了PE+ 2.0进行负载电流调制的方法，其中含有150ms的开始时段、5个数据位、190ms的结束时段和看门狗定时器溢出时段。5个数据位是由负载电流的高低脉冲宽度的不同组合来表达的，实际的电流高/低状态必须大于判定电流高/低的检测阈值。 图23 图24显示的是RT9466在PE+ 2.0应用中的测试结果，其中传递的是要求将VBUS电压设定为12.0V的指令。最初的时候，VBUS电压为5V，2A的电池充电电流所导致的输入电流大约为1.8A。当需要将VBUS电压调整为12V时，RT9466按照PE+ 2.0的规定对输入电流进行调制（电流在最大值和最小值之间跳变，此例中的数据是01101，它代表对12V供电的申请），由于此过程中存在负载的动态变化，VBUS电压会有一定的波动。命令发出以后，与PE+ 2.0兼容的适配器在完成解码后将会变成12V的输出。此后，对电池的充电电流仍然是2A，但输入电流却会出现可观的下降。这时候的充电电流可以再增加，但却不会出现超出USB电缆和连接器的电流额定参数的问题。 图24 主-从式充电系统 虽然RT9466的充电电流可以高达5A，但通常并不能一直这么连续使用，因为在移动装备的狭小空间里有很严格的发热限制。需要使用高于3A的充电电流的手机通常采取主-从配合的充电方式：当需要以4.5~5A的电流进行长时间充电的时候，可以另加一颗开关模式充电IC与RT9466一起并联工作。处于从属地位的充电IC并不需要像RT9466那样拥有完整的功能，它只需含有一个Buck功率级、电池电压检测和I2C接口就差不多了。图25给出的是用比较简单的充电IC RT9465作为从机和RT9466一起构成的主-从式充电系统。 图25：主-从式充电系统 在主-从式的配置中，主充电IC承担起了充电状态检测、设定的职责，如预充电、恒流模式、恒压模式和终止充电的决定等。当主充电IC进入恒流充电模式时，应用处理器发出指令使从属充电IC也进入恒流充电模式以增加充电电流。在此过程中，两颗充电IC的内核温度都会受到监控，充电电流需要被随时调整以确保其处于一定的限制内。当主充电IC进入恒压模式后，从充电IC的输出电流也可以在应用处理器的控制下逐渐降下来，并在某个时刻被完全关闭，最后剩下主充电IC去完成此后的充电过程。在图26中，一个配置了IR压降补偿的主-从式充电过程被完整的记录了下来，3Ah的电池在一个小时内被完全充满。 图26 USB C型接口上电源传输(PD)协议的应用 采用USB C型接口的设备可以启用USB PD协议，它可以在USB总线上的下行端口和上行端口之间通过协商的形式改变VBUS上的电压，电压范围可在5V~20V之间变化，最大电流可达5A。具有角色轮替功能的USB C型端口还容许移动设备像电源一样向与其连接的其他设备提供电源。在图27所示的案例中，USB C型端口的USB PD协议控制器RT1711H可经CC线与连接在一起的设备进行沟通，按照应用处理器的要求对VBUS上的电压进行调节，使RT9466的工作条件最佳化。 在担当供电者的角色时，RT1711H可将RT9466的OTG模式供电能力提供给受电方，在RT9466的OTG模式被激活以后即可开始经VBUS向外供电。 图27 关于RT9466的设计资源 图28 立锜可向用户提供RT9466的评估套件，该套件包含的评估板上含有RT9466及其所有外围元件和检测、连接端子，可让用户迅速进入工作状态。通过立锜的I2C接口转换装置Richtek Wrenboard utility对该评估板进行操作的图形化用户界面也可提供用户使用，参见图28。 |
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6.总结
对便携式设备的大容量锂离子电池进行快充需要对电源供电能力、电池特性、充电器件的能力和热效应等方面有特别的考虑，立锜拥有多种开关模式充电IC来满足各种不同规格应用的需要，它们都集成了很多经过优化的功能，还有广泛的硬件和软件上的支持可以提供。敬请登陆立锜官方网站获取产品规格和设计支持工具的资料，也可联络你附近的立锜分支机构索取样品、评估套件和各种帮助。 来源：立锜科技 |
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