CONSONANCE 1 安培线性锂离子电池充电器电路 CN3056 概述: 特点: CN3056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。CN3056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4.2V, 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,CN3056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。 CN3056采用10管脚DFN封装。 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 4.2V,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 1A 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:10管脚DFN封装 无铅产品 应用: 移动电话 数码相机 MP4 播放器 蓝牙应用 电子词典 便携式设备 各种充电器 管脚排列: TEMP 1 10 ISET 2 9 CHRG 8 FAULT VIN 4 7 BAT VIN 5 6 BAT GND 3 CN3056 REV 1.1 深圳市科韵达电子有限公司 电话:0755-21940335 CE 1 传真:0755-86036016 典型应用电路: 输入电压 4.35V to 6V 10uF 4,5 VIN 10 6,7 BAT CE 0.3 R1 LED Bat+ 6.8uF LED CN3056 Bat- 330 330 9 8 CHRG TEMP FAULT 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 CN3056 打印标记 LNG 封装形式 DFN 工作环境温度 -40℃ to 85℃ REV 1.1 深圳市科韵达电子有限公司 电话:0755-21940335 2 传真:0755-86036016 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 REV 1.1 深圳市科韵达电子有限公司 电话:0755-21940335 3 传真:0755-86036016 管脚功能描述 序号 1 名称 功能描述 TEMP 电池温度监测输入端。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 4,5 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,CN3056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4.2V的调 制电压。 ICH = (VISET×900)/RISET 6,7 8 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。 9 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。 10 CE 芯片使能输入端。高输入电平将使CN3056处于正常工作状态;低输入电平 使CN3056处于被禁止状态。CE管脚可以被TTL电平或者CMOS电平驱动。 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(DFN)……………..………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 1.1 深圳市科韵达电子有限公司 电话:0755-21940335 4 传真:0755-86036016 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 电源电压过低检测阈 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 CN3056 4.158 4.2 4.242 RISET=1.8K, 恒流充电模式 800 1000 1200 RISET=1.8K, VBAT=2.3V 50 100 150 VBAT=VREG CE=GND, 芯片被禁止状态 1.75 3.5 7 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 电话:0755-21940335 V uA 1 REV 1.1 深圳市科韵达电子有限公司 V 5 传真:0755-86036016 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 CN3056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1A,不需要另加阻 流二极管和电流检测电阻。CN3056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,CN3056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,CN3056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,CN3056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 REV 1.1 深圳市科韵达电子有限公司 电话:0755-21940335 6 传真:0755-86036016 应用信息 电源低电压锁存(UVLO) CN3056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 CN3056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,充电器才能离开睡眠模式,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 CN3056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CN3056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1安培的充电电流,可按下面的公式计算: RISET = 1800V/1A = 1.8kΩ 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 CN3056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CN3056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 CN3056 1K 图4 同时使用墙上适配器和USB接口 REV 1.1 深圳市科韵达电子有限公司 电话:0755-21940335 7 传真:0755-86036016 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,CN3056 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。 CN3056 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 CN3056 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(4.1V),CN3056自动开始一个新的充电周期。 恒流/恒压/恒温充电 CN3056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 CN3056的功耗过大,器件的结温接近115℃,放大器Tamp开始工作,使器件的结温保持在大约115℃。 漏极开路状态指示输出端 CN3056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, REV 1.1 深圳市科韵达电子有限公司 电话:0755-21940335 被拉到低电平, 8 传真:0755-86036016 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6.8uF时,脉冲的周期大约为 150ms。 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,10uF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6.8uF。 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。 CN3056 10K ISET Cfilter RISET 图5 隔离ISET管脚的电容负载 PCB板设计注意事项 (1) 第 2 管脚 ISET 的充电电流编程电阻要尽可能靠近 CN3056,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 CN3056。 (3) 在充电时,CN3056 的温度可能比较高,因而电池的 NTC 电阻要尽量远离 CN3056,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CN3056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 1.1 深圳市科韵达电子有限公司 电话:0755-21940335 9 传真:0755-86036016 封装信息(单位:毫米) REV 1.1 深圳市科韵达电子有限公司 电话:0755-21940335 10 传真:0755-86036016