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 REV 1.4 深圳市科韵达电子有限公司 电话：0755-21940335 1 传真：0755-86036016 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℃ REV 1.4 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 1.4 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。 REV 1.4 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 电话：0755-21940335 V uA 1 REV 1.4 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 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 REV 1.4 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) 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 REV 1.4 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，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 REV 1.4 深圳市科韵达电子有限公司 电话：0755-21940335 8 传真：0755-86036016 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 REV 1.4 深圳市科韵达电子有限公司 电话：0755-21940335 9 传真：0755-86036016 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。 REV 1.4 深圳市科韵达电子有限公司 电话：0755-21940335 10 传真：0755-86036016 封装信息 REV 1.4 深圳市科韵达电子有限公司 电话：0755-21940335 11 传真：0755-86036016