ETC CN3051A

CONSONANCE
500 毫安 USB 接口兼容的线性锂离子电池充电器电路
CN3051A/CN3052A
概述:
特点:
CN3051A/CN3052A是可以对单节锂离子或者锂聚合物可充电电池进行恒流/恒压充电的充电器电
路。该器件内部包括功率晶体管,应用时不需要
外部的电流检测电阻和阻流二极管。CN3051A和
CN3052A只需要极少的外围元器件,并且符合
USB总线技术规范,非常适用于便携式应用的领
域。热调制电路可以在器件的功耗比较大或者环
境温度比较高的时候将芯片温度控制在安全范围
内。调制输出电压为4.1V(CN3051A)或者
4.2V(CN3052A),精度达1%。充电电流的大小可
以通过一个外部电阻调整。当输入电压(交流适
配器或者USB电源)掉电时,CN3051A/CN3052A
自动进入低功耗的睡眠模式,此时电池的电流消
耗小于3微安。其它功能包括输入电压过低锁存,
自动再充电,芯片使能输入端,电池温度监控以
及状态指示等功能。
CN3051A/CN3052A采用散热增强型的8管脚小外
形封装(SOP8)。
可以用USB口或交流适配器对单节锂离子或
者锂-聚合物可充电电池充电
片内功率晶体管
不需要外部阻流二极管和电流检测电阻
输出电压 4.1V 或 4.2V,精度可达 1%
为了激活深度放电的电池和减小功耗,在电
池电压较低时采用小电流的预充电模式
用户可编程的持续恒流充电电流可达
500mA
采用恒流/恒压/恒温模式充电,既可以使充
电电流最大化,又可以防止芯片过热
电源电压掉电时自动进入低功耗的睡眠模式
状态指示输出可驱动LED或与单片机接口
C/10充电结束检测
自动再充电
电池温度监测功能
芯片使能输入端
封装形式SOP8
无铅产品
管脚排列:
应用:
移动电话
数码相机
MP3 播放器
电子词典
蓝牙应用
便携式设备
各种充电器
TEMP 1
8
CE
7
CHRG
GND 3
6
FAULT
VIN 4
5
BAT
ISET 2
CN3051A
CN3052A
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典型应用电路:
输入电压 4.35V to 6V
4.7uF
4
8
VIN
5
BAT
CE
0.3
R1
LED
CN3051A
CN3052A
LED
Bat-
330
330
7
6
CHRG
TEMP
FAULT
Bat+
4.7uF
ISET
NTC
1
2
GND
3
电池
R2
RISET
图 1 典型应用电路
订购信息:
器件型号
CN3051A
CN3052A
电压值
4.1V
4.2V
封装形式
SOP8
SOP8
工作环境温度
-40℃ to 85℃
-40℃ to 85℃
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功能框图:
VIN
Tdie
+
115 C
-
Tamp
+
ISET
BAT
Iamp
-
Iref
Vamp
+
Vref
Termination
Comparator
Recharge
Comparator
FAULT
TEMP
TEMP
Comparator
UVLO
control
CHRG
CE
schmitt
GND
图 2 功能框图
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管脚功能描述
序号
1
名称
功能描述
TEMP
电池温度检测输入端。将TEMP管脚接到电池的NTC传感器的输出端。如
果TEMP管脚的电压小于输入电压的45%或者大于输入电压的80%超过
管脚被拉
0.15秒,意味着电池温度过低或过高,则充电将被暂停,
到低电平,表示进入电池故障状态。如果TEMP在输入电压的45%和80%之
间超过0.15秒,则电池故障状态将被清除,
管脚为高阻态,充电将
继续。
如果将TEMP管脚接到地,电池温度监测功能将被禁止。
恒流充电电流设置和充电电流监测端。从ISET管脚连接一个外部电阻到地
端可以对充电电流进行编程。在预充电阶段,此管脚的电压被调制在0.2V;
在恒流充电阶段,此管脚的电压被调制在2V。在充电状态的所有模式,此
管脚的电压都可以根据下面的公式来监测充电电流:
2
ISET
3
GND
电源地
4
VIN
输入电压正输入端。此管脚的电压为内部电路的工作电源。当VIN与BAT
管脚的电压差小于40mv时,CN3051A/CN3052A将进入低功耗的睡眠模式,
此时BAT管脚的电流小于3uA。
BAT
电池连接端。将电池的正端连接到此管脚。在芯片被禁止工作或者睡眠模
式,BAT管脚的电流小于3uA。BAT管脚向电池提供充电电流和
4.1V(CN3051A)或者4.2V(CN3052A)的调制电压。
ICH = (VISET×900)/RISET
5
6
漏极开路输出的电池故障状态指示端。当TEMP管脚的电压低于输入电压
VIN的45%或者高于输入电压VIN的80%超过0.15秒时,表示电池温度过低
被内部开关下拉到低电平,指示处于电池故障状态。除此
或过高,
以外,
管脚将处于高阻态。
7
漏极开路输出的充电状态指示端。当充电器向电池充电时,
管脚被内
部开关拉到低电平,表示充电正在进行;否则
管脚处于高阻态。
8
芯片使能输入端。高输入电平将使CN3051A/CN3052A处于正常工作状态;
低输入电平使CN3051A/CN3052A处于被禁止状态。CE管脚可以被TTL电
平或者CMOS电平驱动。
CE
极限参数
管脚电压………………………-0.3V to 6.5V
BAT 管脚短路持续时间………连续
静电放电(HBM)…………….…2KV
热阻(SOP8)……………………TBD
最高结温….…………………150℃
工作温度….………-40℃ to 85℃
存储温度…...……-65℃ to 150℃
焊接温度(10 秒)……...…..300℃
超出以上所列的极限参数可能造成器件的永久损坏。以上给出的仅仅是极限范围,在这样的极限条件下
工作,器件的技术指标将得不到保证,长期在这种条件下还会影响器件的可靠性。
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电气参数:
(VIN=5V, 除非另外注明,TA=-40℃ 到 85℃, 典型值在环境温度为25℃时测得)
参数
符号
测试条件
最小
典型
输入电源电压
VIN
工作电流
IVIN
电源电压过低锁存阈
值
Vuvlo
电源电压过低检测阈
值迟滞
Huvlo
恒压充电电压
VREG
电池连接端电流
IBAT
4.35
CE=VIN,BAT端无负载
单位
6
400
650
芯片被禁止状态,CE=GND
VIN上升
最大
V
950
uA
4
3.83
4.03
4.23
V
0.1
V
CN3051A
4.059
4.1
4.141
CN3052A
4.158
4.2
4.242
RISET=3.6K, 恒流充电模式
CN3051A/CN3052A
400
500
600
RISET=3.6K, VBAT=2.3V
CN3051A/CN3052A
25
50
75
1.75
3.5
7
VBAT=VREG
CE=GND, 芯片被禁止状态
V
mA
uA
3
VIN=0V, 睡眠模式
3
预充电阈值
预充电阈值
VPRE
预充电阈值迟滞
HPRE
BAT管脚电压上升
2.9
3.0
3.1
V
0.1
V
充电结束阈值
充电结束阈值
Vterm
测量ISET管脚的电压
0.18
0.22
0.26
V
再充电阈值
再充电阈值
VRECH
VREG-0.1
V
40
mv
90
mv
睡眠模式
睡眠模式阈值
VSLP
睡眠模式解除阈值
VSLPR
VIN下降
测量电压差(VIN-VBAT)
VIN上升
测量电压差(VIN-VBAT)
ISET管脚
ISET管脚电压
VISET
VBAT<2.9V,预充电模式
0.2
恒流充电模式
2.0
V
TEMP管脚
高端阈值
VHIGH
低端阈值
VLOW
输入电流
80
42.5
TEMP到VIN或到地端的电流
82.5
%VIN
0.5
%VIN
uA
45
CE管脚
输入低电平
VCEL
CE电压下降
输入高电平
VCEH
CE电压上升
2.0
ICEL
CE=GND, VIN=6V
CE=VIN=6V
-1
输入电流
ICEH
0.75
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V
uA
1
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V
5
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电气参数(接上页)
参数
符号
测试条件
最小
典型
最大
单位
管脚
下拉电流
ICHRG
漏电流
10
VCHRG=0.3V,充电模式
mA
CE=GND, VCHRG=6V
1
uA
管脚
下拉电流
IFAULT
漏电流
10
VFAULT=0.3V,电池故障状态
mA
1
CE=GND, VFAULT=6V
uA
详细描述
CN3051A/CN3052A是专门为一节锂离子或锂聚合物电池而设计的线性充电器电路,利用芯片内部的功率
晶体管对电池进行恒流和恒压充电。充电电流可以用外部电阻编程设定,最大持续充电电流可达500mA,
不需要另加阻流二极管和电流检测电阻。CN3051A/CN3052A包含两个漏极开路输出的状态指示输出端,
充电状态指示端
和电池故障状态指示输出端
。芯片内部的功率管理电路在芯片的结温超过115
℃时自动降低充电电流,这个功能可以使用户最大限度的利用芯片的功率处理能力,不用担心芯片过热
而损坏芯片或者外部元器件。这样,用户在设计充电电流时,可以不用考虑最坏情况,而只是根据典型
情况进行设计就可以了,因为在最坏情况下,CN3051A/CN3052A会自动减小充电电流。
当输入电压大于电源低电压检测阈值和芯片使能输入端接高电平时,CN3051A/CN3052A开始对电池充
电,
管脚输出低电平,表示充电正在进行。如果电池电压低于3V,充电器用小电流对电池进行预充
电。当电池电压超过3V时,充电器采用恒流模式对电池充电,充电电流由ISET管脚和GND之间的电阻RISET.
确定。当电池电压接近电池端调制电压时,充电电流逐渐减小,CN3051A/CN3052A进入恒压充电模式。
当充电电流减小到充电结束阈值时,充电周期结束,
端输出高阻态,表示充电周期结束,充电结束
阈值是恒流充电电流的10%。如果要开始新的充电周期,只要将输入电压断电,然后再上电就可以了,或
者将CE管脚的电压暂时拉到0V,再恢复到高电平。当电池电压降到再充电阈值以下时,自动开始新的充
电周期。芯片内部的高精度的电压基准源,误差放大器和电阻分压网络确保电池端调制电压的精度在1%
以内,满足了锂离子电池和锂聚合物电池的要求。当输入电压掉电或者输入电压低于电池电压时,充电
器进入低功耗的睡眠模式,电池端消耗的电流小于3uA,从而增加了待机时间。如果将使能输入端CE接
低电平,充电器被关断。上述充电过程如图3所示:
涓流充电
恒流充电
恒压充电
4.2V
充电电流
充电电压
3V
充电结束
图3 充电过程示意图
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应用信息
电源低电压锁存(UVLO)
CN3051A/CN3052A内部有电源电压检测电路,当电源电压低于电源电压过低阈值时,芯片处于关断状态,
充电也被禁止。
睡眠模式
CN3051A/CN3052A内部有睡眠状态比较器,当输入电压VIN小于电池端电压+40mv时,充电器处于睡眠
模式;只有当输入电压VIN上升到电池端电压90mv以上时,充电器才离开睡眠模式,进入正常工作状态。
预充电状态
在充电周期的开始,如果电池电压低于3V,充电器处于预充电状态,充电器以恒流充电模式充电电流的
10%对电池进行充电。
芯片使能输入端
CN3051A/CN3052A有一个芯片使能输入端CE,如果此管脚的电压低于0.75V,则芯片被关断,芯片内部
电路和功率晶体管都被关断。若要芯片正常工作,则需要在CE管脚施加大于2V的电压。在CE管脚施加电
压在0.75V 和2.0V之间,将导致工作电流变大,并可能使CN3051A/CN3052A处于不确定状态。
设定充电电流
在恒流模式,计算充电电流的公式为:
ICH = 1800V / RISET
其中,ICH 表示充电电流,单位为安培
RISET 表示ISET管脚到地的电阻,单位为欧姆
例如,如果需要500毫安的充电电流,可按下面的公式计算:
RISET = 1800V/0.5A = 3.6kΩ
为了保证良好的稳定性和温度特性,RISET建议使用精度为1%的金属膜电阻。
通过测量ISET管脚的电压可以检测充电电流。充电电流可以用下面的公式计算:
ICH = (VISET / RISET) × 900
同时应用USB和墙上适配器充电
CN3051A/CN3052A不但可以利用USB接口为锂离子/锂聚合物电池充电,也可以利用墙上适配器为锂离子
/锂聚合物电池充电。图4示出一个同时使用USB接口和墙上适配器通过CN3051A/CN3052A对锂离子/锂聚
合物电池进行充电的例子,当二者共同存在时,墙上适配器具有优先权。M1为P沟道MOSFET,M1用来
阻止电流从墙上适配器流入USB接口,肖特基二极管D1可防止USB接口通过1K电阻消耗能量。
Wall
Adapter
USB
Power
D1
VIN
M1
1K
CN3051A
CN3052A
图4 同时使用墙上适配器和USB接口
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电池温度监测
为了防止温度过高或者过低对电池造成的损害,CN3051A/CN3052A 内部集成有电池温度监测电路。电
池温度监测是通过测量 TEMP 管脚的电压实现的,TEMP 管脚的电压是由电池内的 NTC 热敏电阻和一
个电阻分压网络实现的,如图 1 所示。
CN3051A/CN3052A 将 TEMP 管脚的电压同芯片内部的两个阈值 VLOW 和 VHIGH 相比较,以确认电池的
温度是否超出正常范围。在 CN3051A/CN3052A 内部,VLOW 被固定在 45%×VIN,VHIGH 被固定在 80%
×VIN。如果 TEMP 管脚的电压 VTEMP<VLOW 或者 VTEMP>VHIGH 超过 0.15 秒,则表示电池的温度太高
或者太低,充电过程将被暂停;如果 TEMP 管脚的电压 VTEMP 在 VLOW 和 VHIGH 之间超过 0.15 秒,充
电周期则继续。
如果将 TEMP 管脚接到底,电池温度监测功能将被禁止。
确定R1和R2的值
R1 和 R2 的值要根据电池的温度监测范围和热敏电阻的电阻值来确定,现举例说明如下:
假设设定的电池温度范围为 TL~TH,
(其中 TL<TH);电池中使用的是负温度系数的热敏电阻(NTC),
RTL 为其在温度 TL 时的阻值,RTH 为其在温度 TH 时的阻值,则 RTL>RTH,那么,在温度 TL 时,第一
管脚 TEMP 端的电压为:
在温度 TH 时,第一管脚 TEMP 端的电压为:
然后,由 VTEMPL=VHIGH=k2×VIN (k2=0.8)
VTEMPH=VLOW=k1×VIN (k1=0.45)
则可解得:
R1=
R TL R TH (k 2 − k 1 )
(R TL − R TH )k 1k 2
R2=
R TL R TH (k 2 − k 1 )
R TL (k 1 − k 1k 2 ) − R TH (k 2 − k 1k 2 )
同理,如果电池内部是正温度系数(PTC)的热敏电阻,则 RTH>RTL,我们可以计算得到:
R1=
R TL R TH (k 2 − k 1 )
(R TH − R TL )k 1k 2
R2=
R TL R TH (k 2 − k 1 )
R TH (k 1 − k 1k 2 ) − R TL (k 2 − k 1k 2 )
从上面的推导中可以看出,待设定的温度范围与电源电压 VIN 是无关的,仅与 R1、R2、RTH、RTL
有关;其中,RTH、RTL 可通过查阅相关的电池手册或通过实验测试得到。
在实际应用中,若只关注某一端的温度特性,比如过热保护,则 R2 可以不用,而只用 R1 即可。R1
的推导也变得十分简单,在此不再赘述。
再充电
当一个充电周期结束时,如果电池电压低于再充电阈值时(CN3051A:4.0V;CN3052A:4.1V),
CN3051A/CN3052A自动开始一个新的充电周期。
恒流/恒压/恒温充电
CN3051A/CN3052A采用恒流/恒压/恒温模式对电池充电,如图2所示。在恒流模式,充电电流为
1800V/RISET.。如果CN3051A/CN3052A的功耗过大,器件的结温接近115℃,放大器Tamp开始工作,使
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器件的结温保持在大约115℃。
漏极开路状态指示输出端
CN3051A/CN3052A有两个漏极开路状态指示输出端,
和
。当充电器处于充电状态时,
被
拉到低电平,在其它状态,
处于高阻态。当电池的温度处于正常温度范围之外超过0.15秒时,
管脚被拉到低电平,否则,
管脚输出高阻态。
当电池没有接到充电器时,充电器很快将输出电容充电到调制电压值,由于电池连接端BAT管脚的漏电
流,BAT管脚的电压将慢慢下降到再充电阈值,这样在BAT管脚形成一个纹波电压为100mv的波形,同时
输出脉冲信号表示没有安装电池。当电池连接端BAT管脚的外接电容为4.7uF时,脉冲的周期大约为
10Hz。
当不用状态指示功能时,将不用的状态指示输出端接到地。
电源输入端VIN 旁路电容CIN
电源输入端需要一个旁路电容,一般情况下,4.7uF的电容可以满足要求,对电容的类型没有限制。
稳定性
为了保证充电器正常工作,需要从电池端BAT到GND之间连接一个RC网络,这个电阻和电容串联连接,
通常情况下,电阻值为0.3欧姆,10%的精度就可以满足要求,电容值为4.7uF。
在恒流模式,ISET管脚连接的电阻,电容也会影响系统的稳定性。通常情况下,在ISET管脚没有外加电
容时,在此管脚可以外接一个阻值高达50K的电阻。如果在ISET管脚有外接的电容,则在此管脚允许外接
的电阻值会减小。为了使充电器能正常工作,ISET管脚外接电阻,电容所形成的极点应高于200KHz。假
设ISET管脚外接电容C,用下面的公式可以计算ISET管脚允许外接的最大电阻值:
RISET < 1/(6.28×2×105×C)
为了在ISET管脚监测充电电流,或者隔离ISET管脚的电容负载,可以用一个RC滤波电路,如图5所示,
这样系统的稳定性不受影响。
CN3051A
CN3052A
10K
ISET
Cfilter
RISET
图5 隔离ISET管脚的电容负载
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PCB设计注意事项
(1) 第 2 管脚 ISET 的充电电流编程电阻要尽可能靠近 CN3051A/CN3052A,并且要使第 2 管脚
ISET 的寄生电容尽量小。
(2) 第 4 管脚 VIN 的旁路电容,第 5 管脚 BAT 的输出电容及其串联电阻要尽可能靠近
CN3051A/CN3052A。
(3) 在充电时,CN3051A/CN3052A 的温度可能比较高,因而电池的 NTC 电阻要尽量远离
CN3051A/CN3052A,否则 NTC 电阻值的变化不能正常反应电池的温度。
(4) 一个散热性能良好的 PCB 对输出最大充电电流很关键。集成电路产生的热通过封装的金属
引线框管脚散到外面,PCB 上的铜层起着散热片的作用,所以每个管脚(尤其是 GND 管脚)
的铜层的面积应尽可能大,多放些通孔也能提高热处理能力。在系统内除了充电器以外的热
源也会影响充电器输出的电流,在做系统布局时也要给以充分考虑。
为了能够输出最大的充电电流,要求将CN3051A/CN3052A背面裸露的金属板焊接到印刷线路
板的地端的铜线上,以达到最大的散热性能。否则,芯片的热阻将增大,导致充电电流减小。
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封装信息
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