LT3650-4.1/LT3650-4.2：高性能單節(jié)鋰離子電池充電器的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

在電子設(shè)備的設(shè)計(jì)中，電池充電器的性能至關(guān)重要，它直接影響著設(shè)備的充電速度、安全性和電池壽命。今天，我們將深入探討 Linear Technology 公司推出的 LT3650-4.1/LT3650-4.2 單節(jié)鋰離子/聚合物電池充電器，了解它的特點(diǎn)、工作原理、應(yīng)用信息以及典型應(yīng)用。

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一、產(chǎn)品特點(diǎn)

1. 寬輸入電壓范圍

LT3650 能夠在 4.75V 至 32V 的輸入電壓范圍內(nèi)工作，絕對(duì)最大輸入電壓可達(dá) 40V，這使得它適用于各種不同的電源環(huán)境，如工業(yè)手持儀器、12V 至 24V 的汽車(chē)和重型設(shè)備等。

2. 可編程充電電流

最大充電電流可通過(guò)外部電流檢測(cè)電阻進(jìn)行編程，最高可達(dá) 2A，滿(mǎn)足不同電池的充電需求。

3. 用戶(hù)可選的充電終止方式

支持 C/10 終止和板載終止定時(shí)器兩種方式，用戶(hù)可以根據(jù)實(shí)際需求進(jìn)行選擇。

4. 動(dòng)態(tài)充電速率編程和軟啟動(dòng)功能

通過(guò) RNG/SS 引腳可以動(dòng)態(tài)調(diào)整最大充電電流，并實(shí)現(xiàn)軟啟動(dòng)功能，減少充電過(guò)程中的電流沖擊。

5. 可編程輸入電流限制

通過(guò) CLP 引腳可以設(shè)置系統(tǒng)輸入電流限制，確保充電器在多負(fù)載系統(tǒng)中的穩(wěn)定性。

6. 高精度充電控制

具有 0.5%的浮充電壓精度、5%的充電電流精度和 2.5%的 C/10 檢測(cè)精度，保證了電池充電的準(zhǔn)確性和安全性。

7. 溫度監(jiān)測(cè)功能

通過(guò) NTC 引腳連接負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻，可以監(jiān)測(cè)電池溫度，當(dāng)溫度超出安全范圍時(shí)，自動(dòng)停止充電并發(fā)出故障信號(hào)。

8. 自動(dòng)充電和預(yù)充電功能

當(dāng)電池電壓下降到一定程度時(shí)，自動(dòng)重新啟動(dòng)充電；當(dāng)電池電壓低于 70%浮充電壓時(shí)，自動(dòng)進(jìn)入預(yù)充電模式。

9. 壞電池檢測(cè)和自動(dòng)復(fù)位功能

能夠檢測(cè)出壞電池，并在檢測(cè)到壞電池時(shí)自動(dòng)停止充電，當(dāng)更換電池后自動(dòng)重新啟動(dòng)充電。

10. 小型封裝

提供 3mm × 3mm DFN-12 或 MSOP-12 封裝，節(jié)省電路板空間。

二、工作原理

1. 平均電流模式控制

LT3650 采用平均電流模式控制架構(gòu)，直接控制平均充電電流。通過(guò) BAT 引腳感測(cè)充電器輸出電壓，與內(nèi)部浮充電壓參考進(jìn)行比較，經(jīng)過(guò)電壓誤差放大器和電流誤差放大器的處理，控制充電器的開(kāi)關(guān)，實(shí)現(xiàn)恒流/恒壓充電。

2. 充電過(guò)程

• 預(yù)充電模式：當(dāng)檢測(cè)到電池電壓非常低時(shí)，自動(dòng)進(jìn)入預(yù)充電模式，充電電流降低到編程最大電流的 15%。
• 恒流充電模式：當(dāng)電池電壓上升到預(yù)充電閾值以上時(shí)，進(jìn)入恒流充電模式，充電電流保持恒定。
• 恒壓充電模式：當(dāng)電池電壓接近浮充電壓時(shí)，進(jìn)入恒壓充電模式，充電電流逐漸減小。
• 充電終止：可以選擇 C/10 終止或定時(shí)器終止方式。C/10 終止是當(dāng)充電電流下降到編程最大電流的十分之一時(shí)停止充電；定時(shí)器終止是在設(shè)定的時(shí)間到達(dá)后停止充電。

三、應(yīng)用信息

1. 輸入電源

LT3650 通過(guò) (V{IN}) 引腳直接連接充電器輸入電源，需要使用高質(zhì)量、低 ESR 的去耦電容來(lái)減少電壓波動(dòng)。輸入電容的 RMS 紋波電流額定值應(yīng)滿(mǎn)足 (CVIN(RMS) sim I{CHG(MAX)} cdotleft(frac{V{BAT}}{V{IN}}right) cdotleft(left[frac{V{IN}}{V{BAT}}right]-1right)^{frac{1}{2}})，在 (V{IN }=2 cdot V{BAT }) 時(shí)達(dá)到最大值 (I_{CHG(MAX)} / 2)。

2. BOOST 電源

BOOST 引腳為開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)提供自舉電源，工作范圍為 0V 至 4.5V（相對(duì)于 SW 引腳）。需要連接一個(gè) 1μF 或更大的電容到 SW 引腳，并通過(guò)二極管刷新去耦電容上的電壓。

3. 啟動(dòng)要求

LT3650 的啟動(dòng)電壓要求為 (V{IN } ≥7.5 ~V) 或 ((V{BOOST}-V{SW})>2 ~V)。在低 (V{IN }) 應(yīng)用中，可以使用外部電源為 BOOST 電源供電，以消除 (V_{IN }) 啟動(dòng)要求。

4. 電池輸出去耦

需要在 BAT 引腳和地之間連接一個(gè) 10μF 的陶瓷電容進(jìn)行旁路。在某些應(yīng)用中，可能需要額外的旁路電容來(lái)滿(mǎn)足系統(tǒng)負(fù)載的需求。

5. 充電電流編程

通過(guò)選擇合適的電感檢測(cè)電阻 (R{SENSE}) 來(lái)設(shè)置最大充電電流，滿(mǎn)足 (R{SENSE}=frac{0.1}{I_{MAX(AVG)}})。

6. 電感選擇

電感值的選擇主要考慮電感中的紋波電流，可根據(jù)公式 (L=left(frac{10}{Delta I{MAX }}right) cdot R{SENSE } cdotleft(V{BAT }+V{F}right) cdotleft(1-left[frac{V{BAT }+V{F}}{V{IN(MAX)}+V{F}}right]right)(mu H)) 進(jìn)行估算。同時(shí)，電感的飽和電流應(yīng)不低于 ((1+ Delta I{MAX} / 2) cdot I{MAX})，RMS 額定值應(yīng)高于 (I_{MAX})。

7. 整流器選擇

整流二極管應(yīng)選擇肖特基二極管，以降低功率損耗和提高效率。其額定反向電壓應(yīng)大于最大 (V{IN}) 電壓，最小平均電流額定值應(yīng)滿(mǎn)足 (DIODE(MAX) >frac{I{MAX } cdotleft(V{IN(MAX) }-V{BAT(PRE)}right)}{V_{IN(MAX) }})。

8. 系統(tǒng)電流限制

通過(guò)選擇合適的檢測(cè)電阻 (R{CLP}) 來(lái)設(shè)置最大輸入電源電流，滿(mǎn)足 (R{CLP}=frac{0.05}{I_{MAX(IN)}})。

9. 動(dòng)態(tài)充電電流調(diào)整

通過(guò) RNG/SS 引腳可以動(dòng)態(tài)調(diào)整最大充電電流，其電壓對(duì)應(yīng)于檢測(cè)電阻 (R_{SENSE}) 上最大電壓的十倍?？梢酝ㄟ^(guò)連接一個(gè)合適的電阻到地來(lái)設(shè)置電流控制電壓。

10. 軟啟動(dòng)功能

RNG/SS 引腳還支持軟啟動(dòng)功能，通過(guò)連接一個(gè)電容到地，可以實(shí)現(xiàn)充電電流從 0 到編程最大值的線性上升。

11. 狀態(tài)引腳

LT3650 通過(guò) CHRG 和 FAULT 兩個(gè)開(kāi)漏輸出引腳報(bào)告充電器狀態(tài)。CHRG 引腳指示充電器是否正在以大于 C/10 速率充電，F(xiàn)AULT 引腳指示壞電池和 NTC 故障。

12. 充電終止方式

支持 C/10 終止和定時(shí)器終止兩種方式。C/10 終止是當(dāng)充電電流下降到編程最大電流的十分之一時(shí)停止充電；定時(shí)器終止是在設(shè)定的時(shí)間到達(dá)后停止充電。

13. 預(yù)充電和壞電池故障

當(dāng)電池電壓低于預(yù)充電閾值時(shí)，進(jìn)入預(yù)充電模式，充電電流限制為編程最大電流的 15%。當(dāng)使用內(nèi)部定時(shí)器進(jìn)行終止時(shí)，會(huì)進(jìn)行壞電池檢測(cè)，如果電池在預(yù)充電模式下超過(guò)八分之一的定時(shí)器周期仍未達(dá)到預(yù)充電閾值，則觸發(fā)壞電池故障。

14. 電池溫度故障

通過(guò) NTC 引腳連接負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻，可以監(jiān)測(cè)電池溫度。當(dāng)溫度超出 0°C 至 40°C 的范圍時(shí)，觸發(fā) NTC 故障，停止充電并發(fā)出故障信號(hào)。

15. 熱折返保護(hù)

LT3650 具有熱折返保護(hù)功能，當(dāng) IC 結(jié)溫接近 125°C 時(shí)，會(huì)降低最大充電器輸出電流，以保護(hù)芯片。

16. 布局考慮

在 PCB 布局時(shí)，應(yīng)盡量縮短開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)（Pin SW）的走線長(zhǎng)度，減少高頻噪聲。輸入電容應(yīng)靠近 IC 放置，BOOST 去耦電容也應(yīng)靠近 IC。SENSE 和 BAT 走線應(yīng)一起布線，并盡量縮短長(zhǎng)度，建議使用接地屏蔽這些信號(hào)。同時(shí)，應(yīng)將高電流路徑和瞬態(tài)與電池地隔離，以確保準(zhǔn)確的輸出電壓參考。

四、典型應(yīng)用

1. 5V 至 32V 1.5A 充電器

采用三小時(shí) EOC 終止方式，使用 LTC1515 提供 BOOST 啟動(dòng)要求，狀態(tài)引腳使用 LED 指示燈。

2. 12V 至 32V 2A 充電器

采用三小時(shí) EOC 終止方式，支持可拆卸電池組。當(dāng) (12 ~V

五、總結(jié)

LT3650-4.1/LT3650-4.2 是一款功能強(qiáng)大、性能優(yōu)越的單節(jié)鋰離子/聚合物電池充電器，具有寬輸入電壓范圍、可編程充電電流、多種充電終止方式、溫度監(jiān)測(cè)等功能，適用于各種不同的應(yīng)用場(chǎng)景。在設(shè)計(jì)過(guò)程中，需要根據(jù)具體需求合理選擇外部元件，并注意 PCB 布局，以確保充電器的性能和穩(wěn)定性。你在使用 LT3650 充電器時(shí)遇到過(guò)哪些問(wèn)題呢？歡迎在評(píng)論區(qū)分享你的經(jīng)驗(yàn)和見(jiàn)解。