鋰電池線性充電管理芯片LTC4065及其應(yīng)用

隨著移動(dòng)計(jì)算技術(shù)和無(wú)線通信技術(shù)的發(fā)展,微型移動(dòng)終端設(shè)備在移動(dòng)數(shù)據(jù)采集、傳輸、處理及個(gè)人信息服務(wù)等領(lǐng)域得到越來(lái)越多的應(yīng)用。鋰電池因其體積小、能量密度高、無(wú)記憶效應(yīng)、循環(huán)壽命高、高電壓電池和自放電率低等優(yōu)點(diǎn)，近年來(lái)已經(jīng)成為微型移動(dòng)終端設(shè)備的首選電源。鋰電池的特性以及應(yīng)用環(huán)境的需求，對(duì)微型移動(dòng)終端設(shè)備充電方案的設(shè)計(jì)提出了更高的要求。因此在充電方案的設(shè)計(jì)中需要綜合考慮成本、體積、噪聲、效率等因素。[1]

LTC4065是一款用于單節(jié)鋰電池的完整恒定電流/恒定電壓線性充電管理芯片，可提供高達(dá)750 mA且準(zhǔn)確度為5%的可設(shè)置的充電電流，并支持直接使用USB端口對(duì)單節(jié)鋰電池進(jìn)行充電。同時(shí)其熱反饋功能可調(diào)節(jié)充電電流，以便在大功率工作或高環(huán)境溫度條件下對(duì)芯片溫度加以限制，確保安全工作。由于采用了內(nèi)部MOSFET架構(gòu)，因此無(wú)需使用外部檢測(cè)電阻器或隔離二極管。很少的外部元件數(shù)目加上其2 mm×2 mm DFN封裝，使得LTC4065尤其適合無(wú)線PDA、蜂窩電話、無(wú)線傳感器終端等應(yīng)用。功能齊全的LTC4065還包括自動(dòng)再充電、低電池電量充電調(diào)節(jié)、軟啟動(dòng)等豐富功能。

圖1 LTC4065芯片引腳排列

1 LTC4065的引腳功能

LTC4065采用了熱處理能力較強(qiáng)的6引腳小外形封裝(DFN)，且實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品無(wú)鉛化，底部采用裸露襯墊，直接焊接至PCB以實(shí)現(xiàn)電接觸和額定散熱性能。引腳排列如圖1所示。

各引腳功能如下：

引腳1，GND，接地端。

引腳2，CHRG，漏極開路充電狀態(tài)輸出。充電狀態(tài)指示引腳具有三種狀態(tài)：下拉、2 Hz脈動(dòng)和高阻抗?fàn)顟B(tài)。該輸出可以被用作一個(gè)邏輯接口或一個(gè)LED驅(qū)動(dòng)器。對(duì)電池進(jìn)行充電時(shí)，有一個(gè)內(nèi)部N溝道MOSFET將GHRG引腳拉至低電平。當(dāng)充電電流降至全標(biāo)度電流的10%時(shí)，CHRG引腳被強(qiáng)制為高阻抗?fàn)顟B(tài)。如果電池電壓處于2.9 V以下的持續(xù)時(shí)間達(dá)到充電時(shí)間的1/4，則認(rèn)為電池失效，而且CHRG引腳將以2 Hz的頻率脈動(dòng)。

引腳3，BAT，充電電流輸出。該引腳向電池供應(yīng)充電電流，并將最終浮動(dòng)電壓調(diào)節(jié)至4.2 V。該引腳上的一個(gè)內(nèi)部精確電阻分壓器負(fù)責(zé)設(shè)定此浮動(dòng)電壓，并在停機(jī)模式時(shí)斷接。

引腳4，VCC，正輸入電源。該引腳向充電器供電。VCC的變化范圍是3.75~5.5 V。該引腳應(yīng)通過一個(gè)最小1 μF的電容器進(jìn)行旁路。當(dāng)VCC處于BAT引腳電壓的32 mV以內(nèi)時(shí)，LTC4065進(jìn)入停機(jī)模式，從而使IBAT降至約1 μA。

引腳5，EN，使能輸入引腳。把該引腳拉至手動(dòng)停機(jī)門限(一般為0.82 V)以上，將把LTC4065置于停機(jī)模式。在停機(jī)模式中，LTC4065的電源電流低于20 μA。使能為缺省狀態(tài)，但不用時(shí)應(yīng)將該引腳連至GND。

引腳6，PROG，充電電流設(shè)置和充電電流監(jiān)視引腳。充電電流是通過連接一個(gè)精度為1%的接地電阻器RPROG來(lái)設(shè)置的。

2 工作原理

LTC4065主要是為實(shí)現(xiàn)對(duì)單節(jié)電池充電而設(shè)計(jì)的線性電池充電管理芯片。該芯片利用其內(nèi)部功率MOSFET對(duì)電池進(jìn)行恒流和恒壓充電。充電電流可利用外部電阻編程設(shè)定，最大充電可達(dá)750 mA。LTC4065包含一個(gè)漏極開路狀態(tài)指示輸出端：CHRG通過下拉、2 Hz脈動(dòng)和高阻抗三種狀態(tài)來(lái)指示充電狀態(tài)以及電池失效。如果芯片結(jié)溫試圖升至約115 ℃的預(yù)設(shè)值以上，一個(gè)內(nèi)部熱限制電路將減小設(shè)定的充電電流。不僅可防止LTC4065過熱，也使用戶可以最大限度地利用芯片的功率處理能力，不用擔(dān)心因過熱而損壞芯片或外部元件。這樣，用戶在設(shè)計(jì)充電電流時(shí)，可以不用考慮最壞情況，而只根據(jù)典型情況進(jìn)行設(shè)計(jì)，因?yàn)樵谧顗那闆r下，LTC4065會(huì)自動(dòng)降低充電電流。

當(dāng)Vcc引腳上電壓超過3.6 V且比BAT引腳電壓高出約80 mV時(shí)，LTC4065開始對(duì)電池充電，CHRG引腳輸出低電平，表示充電正在進(jìn)行。如果BAT引腳電壓低于2.9 V，則充電器進(jìn)入涓流充電模式，芯片利用1/10的設(shè)定充電電流對(duì)電池進(jìn)行預(yù)充電，以便將電池電壓提升至一個(gè)適合充電的安全電平。當(dāng)BAT引腳電壓超過4.1 V時(shí)，因?yàn)殡姵匾呀咏鼭M容量，芯片進(jìn)入快速充電恒流模式對(duì)電池充電。充電電流大小由PROG引腳和GND之間的電阻器設(shè)定。電池充電電流是PROG引腳輸出電流的1 000倍。當(dāng)BAT引腳電壓接近最終浮動(dòng)電壓(4.2 V)時(shí)，充電電流逐漸減小，LTC4065進(jìn)入恒壓充電模式。當(dāng)充電電流減小到全標(biāo)度充電電流的10%時(shí)充電周期結(jié)束，一個(gè)內(nèi)部比較器將關(guān)斷在CHRG引腳上的N溝道MOSFET，該引腳呈高阻態(tài)。如果將EN引腳電壓拉至停機(jī)門限(約為0.82 V)以上，充電將被禁止。把PROG引腳懸浮同樣能禁止充電，在停機(jī)模式中，電池漏電流降至1 μA以下，電源電流降至約20 μA。

3 應(yīng)用電路

在本實(shí)驗(yàn)室無(wú)線醫(yī)護(hù)管理系統(tǒng)項(xiàng)目中，無(wú)線通信終端設(shè)備的充電電路設(shè)計(jì)采用了基于LTC4065的方案，電路如圖2所示。

圖2 LTC4065的應(yīng)用電路

LTC4065的電壓輸入端VCC所允許的輸入電壓在3.75~5.5 V之間。目前市場(chǎng)上的5 V穩(wěn)壓電源的輸出電壓一般并不穩(wěn)定，很多時(shí)候會(huì)超過 6 V而給充電帶來(lái)不良影響。LTC4065內(nèi)部具有穩(wěn)壓電路能夠起到一定的穩(wěn)壓作用，一般應(yīng)用情況下可直接連接穩(wěn)壓電源。如果應(yīng)用需求較高，也可在VCC的前級(jí)加一個(gè)1 A的三端穩(wěn)壓電源芯片。在圖2所示電路中，將VCC直接接至穩(wěn)壓電源，鋰電池通過一個(gè)線性穩(wěn)壓芯片SG2003為工作電路提供電源。權(quán)衡電路工作的穩(wěn)定性與充電時(shí)間，充電電路采用300 mA充電電流。因此，為了保證良好的穩(wěn)定性和溫度特性，R采用了3.3 kΩ精度為1%的金屬膜電阻。LTC4065的漏極開路狀態(tài)指示輸出端CHRG串接了一個(gè)510 Ω電阻和一個(gè)發(fā)光二極管，再接到VCC上，用來(lái)指示充電狀態(tài)。為保證充電器正常工作，本電路在BAT電池端和GND間連接一個(gè)1 μF的去耦電容。為了能夠輸出最大的充電電流，要求將LTC4065背面裸露的金屬板焊接到金屬線路板地端的銅片上，以達(dá)到最大的散熱性能;否則，芯片熱阻將增大，導(dǎo)致能夠輸出的最大充電電流減小。

結(jié)語(yǔ)

鋰電池充電電路的設(shè)計(jì)是一個(gè)平衡的考慮，一方面要提供較大的充電電流以縮短充電時(shí)間，另一方面充電電路的尺寸必須足夠小以符合微型移動(dòng)終端設(shè)備體積日益縮小的趨勢(shì)[2]。應(yīng)用LTC4065芯片僅需要非常少的外圍元件配合，就可以實(shí)現(xiàn)低成本的單節(jié)鋰離子或鋰聚合物電池充電方案。不僅電路尺寸十分小，而且可根據(jù)應(yīng)用需求設(shè)置充電電流以控制充電時(shí)間，非常適合于微型移動(dòng)終端設(shè)備的小型化設(shè)計(jì)。采用本方案的無(wú)線醫(yī)護(hù)管理系統(tǒng)終端設(shè)備已投入批量生產(chǎn)。本文的電路設(shè)計(jì)方法對(duì)采用其他充電芯片進(jìn)行的電路設(shè)計(jì)也有很好的參考價(jià)值。