LT3651-4.1/LT3651-4.2：高性能單節(jié)鋰離子電池充電器的卓越之選

在電子設(shè)備的設(shè)計(jì)中，電池充電器的性能直接影響著設(shè)備的續(xù)航能力和穩(wěn)定性。今天，我們來深入探討Linear Technology公司的LT3651-4.1/LT3651-4.2單節(jié)4A寬輸入鋰離子電池充電器，看看它有哪些獨(dú)特的特性和優(yōu)勢(shì)。

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一、產(chǎn)品概述

LT3651是一款專為單節(jié)鋰離子/聚合物電池充電設(shè)計(jì)的充電器，能夠在高達(dá)32V的輸入電壓下工作，絕對(duì)最大輸入電壓可達(dá)40V。它采用高效的單片平均電流模式同步開關(guān)調(diào)節(jié)器，可提供恒定電流、恒定電壓充電，并支持可編程的最大充電電流。充電周期可由電池插入或電池電壓降至浮充電壓的2.5%以下觸發(fā)，充電終止方式可選擇充電電流終止（C/10）或內(nèi)部安全定時(shí)器超時(shí)終止。

二、關(guān)鍵特性

1. 寬輸入電壓范圍

支持高達(dá)32V的輸入電壓，絕對(duì)最大輸入電壓為40V，適用于多種電源環(huán)境，如12V - 24V的汽車和重型設(shè)備電源。

2. 可編程充電電流

最大充電電流可達(dá)4A，可通過外部感測(cè)電阻和RNG/SS引腳進(jìn)行調(diào)節(jié)，滿足不同電池的充電需求。

3. 充電終止方式可選

可選擇C/10充電電流終止或內(nèi)部安全定時(shí)器超時(shí)終止。C/10終止方式在充電電流降至編程最大電流的十分之一時(shí)停止充電；定時(shí)器終止方式通常設(shè)置為3小時(shí)，可用戶編程，即使充電電流低于C/10，也會(huì)繼續(xù)充電直至定時(shí)器超時(shí)。

4. 高精度參數(shù)

具有0.5%的浮充電壓精度、7.5%的充電電流精度和4%的C/10檢測(cè)精度，確保電池充電的準(zhǔn)確性和安全性。

5. 溫度監(jiān)測(cè)與保護(hù)

通過NTC熱敏電阻監(jiān)測(cè)電池溫度，當(dāng)電池溫度超出0°C - 40°C的安全充電范圍時(shí)，充電周期暫停并發(fā)出故障信號(hào)。同時(shí)，芯片內(nèi)部還具有熱折返保護(hù)功能，當(dāng)芯片結(jié)溫接近125°C時(shí)，會(huì)降低最大充電電流，以保護(hù)芯片。

6. 其他特性

還具備動(dòng)態(tài)充電速率編程/軟啟動(dòng)、可編程輸入電流限制、自動(dòng)再充電、自動(dòng)預(yù)充電、壞電池檢測(cè)與自動(dòng)復(fù)位等功能，為電池充電提供了全面的保護(hù)和控制。

三、引腳功能詳解

1. NTC（引腳1）

電池溫度監(jiān)測(cè)引腳，通過連接一個(gè)10kΩ的NTC熱敏電阻來監(jiān)測(cè)電池溫度，根據(jù)電壓調(diào)節(jié)充電過程。若不需要此功能，可將該引腳懸空。

2. ACPR（引腳2）

開集電極AC存在狀態(tài)引腳，用于指示VIN是否有效以及充電器是否開啟。通常需要使用上拉電阻，可承受高達(dá)VIN的電壓，最大灌電流為10mA。

3. BAT（引腳3）

電池電壓監(jiān)測(cè)引腳，通過Kelvin連接監(jiān)測(cè)電池電壓，并連接去耦電容。充電功能旨在使該引腳達(dá)到最終浮充電壓，當(dāng)電池電壓降至浮充電壓的2.5%以下時(shí)，自動(dòng)重啟充電周期。充電終止后，該引腳的輸入偏置電流降至<0.1μA，以減少電池放電。

4. SENSE（引腳4）

充電電流感測(cè)引腳，通過連接感測(cè)電阻（RSENSE）監(jiān)測(cè)充電電流，感測(cè)電阻上的電壓決定了平均充電電流，最大平均充電電流對(duì)應(yīng)感測(cè)電阻上的95mV電壓。

5. BOOST（引腳5）

自舉式開關(guān)驅(qū)動(dòng)電源引腳，用于驅(qū)動(dòng)高端開關(guān)晶體管，需連接一個(gè)1μF或更大的電容到SW引腳。該引腳的工作范圍為2V - 4.5V（相對(duì)于SW引腳），通過整流二極管對(duì)去耦電容進(jìn)行充電。

6. GND（引腳6、23、31、37）

接地引腳，其中引腳31和37必須連接在一起，引腳6和23通過引線框架連接到背面暴露的引腳37，需將背面暴露引腳焊接到PCB上，以實(shí)現(xiàn)良好的熱和電氣連接。

7. SW（引腳7、11 - 18、22、38）

開關(guān)輸出引腳，充電器開關(guān)的輸出端，連接電感到SENSE引腳。開關(guān)工作時(shí)，電感由高端開關(guān)從VIN充電，由低端開關(guān)放電到GND。需將背面暴露的引腳38焊接到PCB上，以實(shí)現(xiàn)良好的熱連接。

8. TIMER（引腳24）

充電周期結(jié)束定時(shí)器編程引腳，通過連接電容到地來確定完整充電周期的結(jié)束時(shí)間。通常使用0.68μF的電容可實(shí)現(xiàn)3小時(shí)的充電周期。若將該引腳連接到地，則禁用定時(shí)器終止功能，充電將在充電電流降至C/10速率時(shí)終止。

9. FAULT（引腳25）

開集電極故障狀態(tài)輸出引腳，用于指示電池充電周期中的故障條件。通常需要使用上拉電阻，可承受高達(dá)VIN的電壓，最大灌電流為10mA。溫度故障或使用內(nèi)部定時(shí)器終止時(shí)的壞電池故障會(huì)使該引腳拉低，無故障時(shí)為高阻抗。

10. CHRG（引腳26）

開集電極充電器狀態(tài)輸出引腳，用于指示電池充電狀態(tài)。通常需要使用上拉電阻，可承受高達(dá)VIN的電壓，最大灌電流為10mA。充電周期中該引腳拉低，充電終止后變?yōu)楦咦杩?。若使用?nèi)部定時(shí)器終止，在充電電流降至C/10速率之前，該引腳保持低電平。溫度故障也會(huì)使該引腳拉低。

11. SHDN（引腳27）

關(guān)機(jī)引腳，可用于精確的欠壓鎖定功能。當(dāng)該引腳電壓高于1.20V時(shí)，芯片啟用；具有95mV的電壓遲滯。關(guān)機(jī)模式下，所有充電功能禁用，當(dāng)該引腳電壓低于0.4V時(shí)，芯片進(jìn)入低電流關(guān)機(jī)模式，VIN引腳電流降至17μA。若不需要關(guān)機(jī)功能，可將該引腳連接到VIN。

12. LIM（引腳28）

輸入電流限制編程引腳，可設(shè)置和動(dòng)態(tài)調(diào)整系統(tǒng)輸入電流限制，并可實(shí)現(xiàn)軟啟動(dòng)功能。該引腳的電壓通過設(shè)置輸入電流感測(cè)電阻上的最大電壓來確定最大輸入電流，有效范圍為0V - 1V，通常會(huì)從該引腳輸出50μA電流到接地電阻。

13. CLP/CLN（引腳29/引腳30）

系統(tǒng)電流限制正負(fù)輸入引腳，通過連接感測(cè)電阻來監(jiān)測(cè)系統(tǒng)電流水平，LT3651會(huì)調(diào)節(jié)最大充電電流以維持編程的最大系統(tǒng)電流。若將CLP、CLN和VIN短接在一起，則禁用該功能。

14. VIN（引腳32、33、34）

充電器輸入電源引腳，為L(zhǎng)T3651提供電源，電池充電電流流入該引腳。充電終止后，IVIN小于100μA，需將這些引腳連接在一起。

15. RNG/SS（引腳35）

充電電流范圍和軟啟動(dòng)引腳，可設(shè)置和動(dòng)態(tài)調(diào)整最大充電電流，并可實(shí)現(xiàn)軟啟動(dòng)功能。該引腳的電壓通過設(shè)置充電電流感測(cè)電阻上的最大電壓來確定最大充電電流，有效范圍為0V - 1V，通常會(huì)從該引腳輸出50μA電流到接地電阻。

16. RT（引腳36）

開關(guān)振蕩器定時(shí)器設(shè)置引腳，通過連接電阻到地來設(shè)置開關(guān)振蕩器頻率，通常使用54.9kΩ電阻可實(shí)現(xiàn)1MHz的頻率。

四、工作原理

1. 平均電流模式控制

LT3651采用平均電流模式控制環(huán)路架構(gòu)來控制平均充電電流。通過BAT引腳感測(cè)充電器輸出電壓，與內(nèi)部浮充電壓參考的差值由電壓誤差放大器（V - EA）積分，其輸出電壓（ITH）對(duì)應(yīng)于電感感測(cè)電阻（RSENSE）上的期望平均電壓。ITH電壓被除以10，并在電流誤差放大器（C - EA）的輸入提供電壓偏移，C - EA對(duì)該電壓與電流感測(cè)電阻電壓的差值進(jìn)行積分，得到的電壓（Vc）與內(nèi)部生成的斜坡進(jìn)行比較，生成控制充電器開關(guān)的開關(guān)占空比。

2. 充電過程

• 預(yù)充電模式：當(dāng)電池電壓低于VBAT(PRE)時(shí)，進(jìn)入預(yù)充電模式，此時(shí)ITH鉗位降至0.15V，充電電流降至編程最大值的15%。
• 恒流模式：電池電壓上升到預(yù)充電閾值以上后，進(jìn)入恒流模式，充電器以編程的最大充電電流對(duì)電池充電。
• 恒壓模式：當(dāng)電池電壓接近浮充電壓時(shí)，電壓誤差放大器V - EA控制ITH，充電器進(jìn)入恒壓模式，充電電流逐漸減小。
• 充電終止：可選擇C/10終止或定時(shí)器終止。C/10終止時(shí)，當(dāng)充電電流降至編程最大電流的十分之一時(shí)，充電周期結(jié)束；定時(shí)器終止時(shí)，在編程的時(shí)間結(jié)束后，充電周期結(jié)束。

3. 系統(tǒng)電流限制

通過連接在CLP和CLN引腳之間的感測(cè)電阻（RCL）測(cè)量輸入電流，當(dāng)輸入電流超過編程的最大值時(shí)，ITH降低，從而降低充電電流，以維持恒定的輸入電流。

4. 溫度保護(hù)

當(dāng)芯片結(jié)溫過高時(shí)，內(nèi)部電路會(huì)降低ITH，減少充電電流，以降低芯片功耗，保護(hù)芯片。

五、應(yīng)用信息

1. 振蕩器頻率

通過連接到地的精密電阻設(shè)置LT3651的開關(guān)振蕩器頻率，通常頻率范圍為200kHz - 1MHz?？筛鶕?jù)功率需求和系統(tǒng)要求調(diào)整頻率，以優(yōu)化效率和性能。

2. VIN輸入電源

LT3651直接從VIN引腳獲取電源，需要使用高質(zhì)量、低ESR的去耦電容來減少VIN上的電壓毛刺。去耦電容的大小可根據(jù)輸入紋波電壓計(jì)算，同時(shí)需確保電容具有足夠的紋波電流額定值。

3. 升壓電源

BOOST引腳的自舉式電源用于驅(qū)動(dòng)內(nèi)部開關(guān)，通常通過連接1μF電容到SW引腳來創(chuàng)建升壓電壓。升壓電容可通過二極管從電池或外部電源充電，需選擇合適的二極管，其平均電流額定值應(yīng)大于0.1A，反向電壓額定值應(yīng)大于VIN(MAX)。

4. VIN、VBOOST啟動(dòng)要求和阻塞

LT3651在VIN范圍高達(dá)32V時(shí)工作，當(dāng)檢測(cè)到電池電壓低于4.0V/4.1V的自動(dòng)重啟浮充電壓且芯片啟用時(shí)，開始充電周期。為了便于啟動(dòng)，當(dāng)VBOOST電壓較低時(shí)，LT3651會(huì)啟用開關(guān)，以對(duì)BOOST電容進(jìn)行初始充電。為防止輸入電源短路時(shí)電池放電，建議在輸入串聯(lián)一個(gè)阻塞肖特基二極管或FET。

5. BAT輸出去耦

建議在LT3651充電器輸出端連接去耦電容，若電池可從充電器輸出端斷開，則該電容是必需的。電容值與最小工作VIN電壓相關(guān)，其電壓額定值應(yīng)滿足或超過電池浮充電壓。

6. RSENSE：充電電流編程

通過選擇合適的感測(cè)電阻RSENSE來設(shè)置最大充電電流，在最大充電電流時(shí)，RSENSE上的電壓為95mV。

7. 電感選擇

電感值的選擇主要考慮開關(guān)過程中產(chǎn)生的紋波電流，通常將紋波電流設(shè)置為最大充電電流的25% - 35%。同時(shí)，電感的飽和電流應(yīng)等于或超過電感中的最大峰值電流，RMS額定值應(yīng)高于最大充電電流。

8. 系統(tǒng)輸入電流限制

LT3651具有PowerPathTM控制功能，可根據(jù)系統(tǒng)負(fù)載調(diào)整充電器輸出電流，以維持恒定的輸入電源負(fù)載。通過設(shè)置I LIM引腳的電壓和輸入感測(cè)電阻RCL來確定最大輸入電流。

9. RNG/SS：動(dòng)態(tài)電流調(diào)整和軟啟動(dòng)

RNG/SS引腳可動(dòng)態(tài)調(diào)整最大充電電流，通過連接電阻到地來設(shè)置電壓，該電壓對(duì)應(yīng)于充電電流感測(cè)電阻RSENSE上的最大電壓。同時(shí)，該引腳還支持軟啟動(dòng)功能，通過連接電容到地，可使充電電流從0逐漸增加到編程值。

10. 狀態(tài)引腳

CHRG和FAULT引腳用于報(bào)告充電器狀態(tài)，CHRG引腳指示充電器是否以大于C/10的速率輸出電流，F(xiàn)AULT引腳指示壞電池和NTC故障。

11. 充電終止方式

• C/10終止：將TIMER引腳接地，當(dāng)充電電流降至編程最大電流的十分之一時(shí)，充電周期結(jié)束。
• 定時(shí)器終止：通過連接電容到TIMER引腳來設(shè)置定時(shí)器周期，當(dāng)定時(shí)器時(shí)間結(jié)束且電池充電到浮充電壓的97.5%以上時(shí)，充電周期結(jié)束。

12. 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值的15%。當(dāng)使用內(nèi)部定時(shí)器終止時(shí)，若電池在八分之一的定時(shí)器周期內(nèi)未達(dá)到預(yù)充電閾值，或正常充電的電池在八分之一的定時(shí)器周期后重新進(jìn)入預(yù)充電模式，則觸發(fā)壞電池故障。

13. 電池溫度故障：NTC

通過連接NTC熱敏電阻到NTC引腳來監(jiān)測(cè)電池溫度，當(dāng)溫度超出0°C - 40°C范圍時(shí)，觸發(fā)NTC故障，充電暫停，狀態(tài)引腳拉低。

14. 熱折返

當(dāng)芯片內(nèi)部結(jié)溫接近125°C時(shí)，熱折返保護(hù)功能會(huì)降低最大充電器輸出電流，以保護(hù)芯片。

15. 布局考慮

為了減少噪聲問題，需要注意電路板布局。保持高電流環(huán)路的物理面積小，縮短開關(guān)節(jié)點(diǎn)（SW）的走線長(zhǎng)度，將VIN電容靠近芯片放置，對(duì)SENSE和BAT走線進(jìn)行屏蔽，并進(jìn)行Kelvin連接。

16. 功率考慮

LT3651的封裝設(shè)計(jì)通過背面的暴露焊盤有效地散熱，應(yīng)盡可能增大PCB上的銅面積以降低熱阻。同時(shí)，需要考慮功率損耗和整體效率，通過降低高電流路徑的電阻、調(diào)整開關(guān)頻率等方式來提高效率。

六、典型應(yīng)用

LT3651適用于多種應(yīng)用場(chǎng)景，如工業(yè)手持儀器、12V - 24V的汽車和重型設(shè)備、桌面充電座、筆記本電腦等。以下是一些典型應(yīng)用電路：

• 6.5V - 32V 4A充電器，具有3小時(shí)充電超時(shí)、6.3A輸入電流限制、10ms軟啟動(dòng)和電池溫度監(jiān)測(cè)功能。
• 12V - 32V 4A充電器，使用RNG/SS引腳實(shí)現(xiàn)低電壓電流折返功能。

七、總結(jié)

LT3651-4.1/LT3651-4.2單節(jié)4A寬輸入鋰離子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、高精度參數(shù)、溫度監(jiān)測(cè)與保護(hù)等眾多優(yōu)點(diǎn)，為電子設(shè)備的電池充電提供了可靠的解決方案。在實(shí)際應(yīng)用中，需要根據(jù)具體需求合理選擇和配置相關(guān)參數(shù)，并注意電路板布局和功率考慮，以充分發(fā)揮其性能優(yōu)勢(shì)。你在使用LT3651的過程中遇到過哪些問題呢？歡迎在評(píng)論區(qū)分享你的經(jīng)驗(yàn)和見解。