如韵电子 CONSONANCE 500 毫安 USB 接口兼容的锂电池充电集成电路 CN3068 概述： 特点： CN3068是可以对单节可充电锂电池进行恒流/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。CN3068只需要极少的外围元器件，并且符 合USB总线技术规范，非常适合于便携式应用的 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。内部固定的恒压充电电压为4.2V，也可以 通过一个外部的电阻调节。充电电流通过一个外 部电阻设置。当输入电压掉电时，CN3068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，电池温度监控以及充电状态/充电结束状态 指示等功能。 CN3068采用8管脚小外形封装(SOP8)。 z 应用： z z z z z z z z z z z z z z z z z z z z z 可以用USB口或交流适配器对单节锂电池充 电 输入电压范围：4.35V 到 6V 片内功率晶体管 不需要外部阻流二极管和电流检测电阻 恒压充电电压 4.2V，也可通过一个外部电阻 调节 涓流充电模式 可设置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 充电状态和充电结束状态双指示输出 C/10充电结束检测 自动再充电 电池温度监测功能 封装形式SOP8 无铅产品 管脚排列： 移动电话 数码相机 MP4 播放器 电子词典 便携式设备 各种充电器 多节镍氢电池充电 www.consonance-elec.com TEMP 1 8 FB 7 STAT2 GND 3 6 STAT1 VCC 4 5 BAT IR 2 CN3068 REV 1.0 1 应用电路： 输入电压 4.35V 到 6V 4 VCC FB 8 4.7uF 330 BAT 5 4.7uF Bat+ CN3068 绿色 LED 红色 LED 7 6 TEMP 1 电池 STAT2 STAT1 IR 2 GND 3 图1 Bat- RIR 典型应用电路（恒压充电电压 4.2V） 输入电压 4.35V 到 6V 4 VCC FB Rx 8 4.7uF 330 BAT 5 4.7uF Bat+ CN3068 绿色 LED 红色 LED 7 6 TEMP Bat电池 STAT2 IR STAT1 GND 3 图2 1 2 RIR 应用电路（利用外接电阻调整恒压充电电压） 在图 2 中，电池正极的恒压充电电压为： Vbat ＝ 4.2＋3.04×10-6×Rx 其中，Vbat的单位是伏特 Rx 的单位是欧姆 REV 1.0 2 注：当使用外部电阻调整恒压充电电压时，由于芯片内部和外部的温度不一致及芯片生产时 的工艺偏差等原因，可能导致输出电压的精度变差和温度系数变大。 功能框图： VCC + Tamp - Tdie 115 C + IR BAT Iamp Iref FB Vam p + Vref Termination Comparator Recharge Comparator STAT1 TEMP TEMP Comparator control STAT2 UVLO GND 图 3 功能框图 REV 1.0 3 管脚功能描述 序号 1 2 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47%或者大于输入电压的84%超过 0.15秒，意味着电池温度过低或过高，则充电将被暂停。如果TEMP在输入 电压的47%和84%之间超过0.15秒，则电池故障状态将被清除，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。 IR 恒流充电电流设置和充电电流监测端。从IR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： ICH = (VIR×900)／RIR GND 电源地 4 VCC 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VCC与BAT 管脚的电压差小于20mV时，CN3068将进入低功耗的睡眠模式，此时BAT 管脚的电流小于3μA。 5 BAT 电池连接端。将电池的正端连接到此管脚。在电源电压低于电源电压过低 锁存阈值或者睡眠模式，BAT管脚的电流小于3μA。BAT管脚向电池提供 充电电流和恒压充电电压。 6 STAT1 漏极开路输出的充电结束状态指示端。当充电结束时，STAT1管脚被内部 开关拉到低电平，表示充电已经结束；否则STAT1管脚处于高阻态。 7 STAT2 漏极开路输出的充电状态指示端。当充电器向电池充电时，STAT2管脚被 内部开关拉到低电平，表示充电正在进行；否则STAT2管脚处于高阻态。 FB 电池电压Kelvin检测输入端。此管脚可以Kelvin检测电池正极的电压，从 而精确调制恒压充电时电池正极的电压，避免了从电池的正极到CN3068 的BAT管脚之间的导线电阻或接触电阻等寄生电阻对充电的影响。如果在 FB管脚和BAT管脚之间接一个电阻，可以调整恒压充电电压。 3 8 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。 REV 1.0 4 电气参数： (VCC=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 VCC 工作电流 IVCC 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 最大 单位 6 V 620 920 μA 3.7 3.9 V 4.35 BAT端无负载 400 VCC下降 0.1 V FB端连接到BAT端 4.17 4.2 4.23 RIR=3.6K, 恒流充电模式 400 500 600 RIR=3.6K, VBAT＝2.4V VCC=0V, 睡眠模式 25 50 FB管脚电压上升 2.9 V mA 75 3 μA 3.1 V 预充电阈值 预充电阈值 VPRE 预充电阈值迟滞 HPRE 3 0.1 V 充电结束阈值 充电结束阈值 Vterm 测量IR管脚的电压 VRECH FB管脚电压 0.18 0.22 0.26 V 再充电阈值 再充电阈值 VREG－0.1 V 20 mV 50 mV 睡眠模式 睡眠模式阈值 VSLP 睡眠模式解除阈值 VSLPR VCC下降 测量电压差(VCC－VBAT) VCC上升 测量电压差(VCC－VBAT) ISET管脚 ISET管脚电压 VIR VBAT<3V，预充电模式 0.2 恒流充电模式 2.0 V FB管脚 FB输入电流1 IFB1 VFB=3.6V，正常充电状态 FB输入电流2 IFB2 VCC<Vuvlo或VCC<VBAT 1.8 3 6 μA 1 μA TEMP管脚 高端阈值 VHIGH 低端阈值 VLOW 输入电流 84 44.5 86.5 %VCC 47 TEMP到VCC或到地端的电流 %VCC μA 0.5 STAT2管脚 STAT2下拉电流 ICHRG STAT2漏电流 VSTAT2=0.3V，充电状态 VSTAT2=6V，充电结束状态 10 VSTAT1=0.3V，充电结束状态 10 mA μA 1 STAT1管脚 STAT1下拉电流 STAT1漏电流 IDONE mA μA 1 VSTAT1=6V，充电状态 REV 1.0 5 详细描述 CN3068是专门为一节锂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。CN3068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STAT2和充电结束指 示输出端STAT1。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，CN3068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电池端电压时，CN3068开始对电池充电，STAT2管脚输出低电平， 表示充电正在进行。如果电池电压Kelvin检测输入端(FB)的电压低于3V，充电器用小电流对电池进行预充 电。当电池电压Kelvin检测输入端(FB)的电压超过3V时，充电器采用恒流模式对电池充电，充电电流由IR 管脚和GND之间的电阻RIR.确定。当电池电压Kelvin检测输入端(FB)的电压接近电池端调制电压时，充电 电流逐渐减小，CN3068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，STAT2 端输出高阻态，STAT1端输出低电平，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。当电池电压Kelvin检测输入端(FB)的电 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误差在±1%以内，满足了电池的要求。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。上 述充电过程如图4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4 充电过程示意图 应用信息 电源低电压锁存(UVLO) CN3068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 CN3068内部有睡眠状态比较器，当输入电压VCC低于电池端电压加20mv时，充电器处于睡眠模式；只有 当输入电压VCC上升到电池端电压50mv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Kelvin检测输入端(FB)的电压低于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。 REV 1.0 6 电池电压Kelvin检测 CN3068有一个电池电压Kelvin检测输入端(FB)，此管脚通过芯片内部的精密电阻分压网络连接到恒压充 电的误差放大器。FB管脚可以直接连接到电池的正极，这样可有效避免电池正极和CN3068的第5管脚BAT 之间的寄生电阻（包括导线电阻，接触电阻等）对充电的影响。这些寄生电阻的存在会使充电器过早的 进入恒压充电状态，延长充电时间，甚至使电池充不满，通过使用电池电压Kelvin检测可以解决这些问题。 如果将CN3068的电池电压Kelvin检测输入端(FB)悬空，那么CN3068一直处于预充电状态，充电电流为所 设置的恒流充电电流的1/10。 调整恒压充电电压 如果在CN3068的电池电压Kelvin检测输入端(FB)和电池正极之间接一个电阻,可以提高电池正极的恒压充 电电压，如图5所示。 FB 8 Rx CN3068 输入电压 4 VCC GND BAT 5 Vbat 3 4.7uF 4.7uF 图5 调整恒压充电电压 如果采用图5中的连接方式，那么在电池的正极电压Vbat为： Vbat ＝ 4.2＋3.04×10-6×Rx 其中，Vbat的单位是伏特 Rx的单位是欧姆 当使用外部电阻调整恒压充电电压时，由于芯片内部和外部的温度不一致及芯片生产时的工艺偏差等原 因，可能导致输出电压的精度变差和温度系数变大。 设定充电电流 在恒流模式，计算充电电流的公式为： ICH = 1800V / RIR 其中，ICH 表示充电电流，单位为安培 RIR 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： RIR = 1800V/0.5A = 3.6kΩ 为了保证良好的稳定性和温度特性，RIR建议使用精度为1%的金属膜电阻。 通过测量IR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 = (VIR / RIR) × 900 同时应用USB和墙上适配器充电 CN3068不但可以利用USB接口为电池充电，也可以利用墙上适配器为电池充电。图6示出一个同时使用 USB接口和墙上适配器通过CN3068对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 REV 1.0 7 过1K电阻消耗能量。 墙上 适配器 USB 电源 D1 VCC M1 CN3068 1K 图6 同时使用墙上适配器和USB接口 电池温度监测 为了防止电池温度过高或者过低对电池造成的损害，CN3068 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。 CN3068 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 CN3068 内部，VLOW 被固定在 47%×VCC，VHIGH 被固定在 84%×VCC。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 管脚接到地，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×VCC (k2=0.84) VTEMPH＝VLOW＝k1×VICC(k1=0.47) 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 REV 1.0 8 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 VCC 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Kelvin检测输入端(FB)的电压低于再充电阈值时，CN3068自动开 始一个新的充电周期。 恒流/恒压/恒温充电 CN3068采用恒流/恒压/恒温模式对电池充电，如图3所示。在恒流模式，充电电流为1800V/RIR。如果CN3068 的功耗过大，器件的结温接近115℃，放大器Tamp开始工作，自动调整充电电流，使器件的结温保持在大 约115℃。 漏极开路状态指示输出端 CN3068有两个漏极开路状态指示端，STAT1和STAT2，这两个状态指示端可以驱动发光二极管或单片机 端口。STAT2用来指示充电状态，在充电时，STAT2为低电平；STAT1用来指示充电结束状态，当充电 结束时，STAT1为低电平。当电池的温度处于正常温度范围之外超过0.15秒时，STAT1和STAT2管脚都输 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恒压充电电压值，由于电池电压Kelvin检测输入 端FB管脚的漏电流，FB管脚和BAT管脚的电压将慢慢下降到再充电阈值，这样在FB管脚和BAT管脚形成 一个纹波电压为100mv的波形，同时STAT2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。 下表列出了两个状态指示端及其对应的充电器状态，假设STAT2管脚接红色LED，STAT1管脚接绿色LED STAT2管脚电平（对应的LED状态） STAT1管脚电平（对应的LED状态） 状态说明 低电平（红色LED常亮） 高电平（绿色LED灭） 正在充电 高电平（红色LED灭） 低电平（绿色LED常亮） 充电结束状态 脉冲信号（红色LED闪烁） 脉冲信号（绿色LED亮） 电池没有接好 高电平（绿色LED灭） 三种可能异常状态： z 输入电压低于电源低电 压锁存阈值，或者 z 输入电压低于电池连接 端BAT电压，或者 z 电池温度异常 高电平（红色LED灭） 当不用某个状态指示功能时，将不用的状态指示输出端接到地。 电源输入端VCC旁路电容CVCC 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之间连接一个电容，电容值为4.7uF。 在恒流模式，IR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IR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IR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，IR管脚外接电阻，电容所形成的极点应高于200KHz。假设IR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： RIR< 1／(6.28×2×105×C) 为了在IR管脚监测充电电流，或者隔离IR管脚的电容负载，可以用一个RC滤波电路，如图7所示，这样系 REV 1.0 9 统的稳定性不受影响。 CN3068 10K IR RIR Cfilter 图7 隔离ISET管脚的电容负载 PCB设计注意事项 （1） 第 2 管脚 IR 的充电电流编程电阻要尽可能靠近 CN3068，并且要使第 2 管脚 IR 的寄生电容 尽量小。 （2） 第 4 管脚 VCC 的旁路电容，第 5 管脚 BAT 的输出电容要尽可能靠近 CN3068。 （3） 在充电时，CN3068 的温度可能比较高，因而电池的 NTC 电阻要尽量远离 CN3068，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CN3068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。 REV 1.0 10 封装信息 REV 1.0 11