探索MCP73811/2：小巧高效的鋰電池充電控制器

在電子設(shè)備的設(shè)計(jì)中，電池充電管理是至關(guān)重要的一環(huán)。特別是對(duì)于鋰電池這種廣泛應(yīng)用的電源，選擇合適的充電控制器能確保電池的安全、高效充電。今天，我們就來(lái)深入了解一下Microchip公司的MCP73811/2單節(jié)鋰電池/鋰聚合物充電管理控制器。

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產(chǎn)品概述

MCP73811/2是專門為空間受限和成本敏感的應(yīng)用而設(shè)計(jì)的線性充電管理控制器。它能為單節(jié)鋰離子或鋰聚合物電池提供特定的充電算法，在盡可能短的充電時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)最佳容量。其小巧的物理尺寸和較少的外部元件需求，使其非常適合便攜式應(yīng)用。對(duì)于從USB端口充電的應(yīng)用，MCP73811符合USB電源總線的所有規(guī)范。

產(chǎn)品特性

集成度高

MCP73811/2是一個(gè)完整的線性充電管理控制器，集成了傳輸晶體管、電流感應(yīng)和反向放電保護(hù)功能。這不僅減少了外部元件的使用，還提高了系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。

充電模式與精度

采用恒流/恒壓充電算法，恒壓調(diào)節(jié)固定在4.20V，調(diào)節(jié)公差僅為±1%，保證了電池充電的高精度。對(duì)于MCP73811，可通過(guò)PROG輸入的數(shù)字信號(hào)選擇85 mA（低功率USB端口）或450 mA（高功率USB端口）的恒流值；而MCP73812則可通過(guò)一個(gè)外部電阻設(shè)置恒流值。

溫度管理

在高功率或高環(huán)境溫度條件下，MCP73811/2會(huì)根據(jù)芯片溫度限制充電電流，實(shí)現(xiàn)熱調(diào)節(jié)。這一功能在優(yōu)化充電周期時(shí)間的同時(shí)，保證了設(shè)備的可靠性。此外，當(dāng)芯片溫度超過(guò)150°C時(shí)，會(huì)暫停充電，待溫度下降約10°C后恢復(fù)充電，提供了額外的安全保障。

低功耗與自動(dòng)控制

無(wú)需預(yù)充電，具有外部充電結(jié)束控制功能。當(dāng)輸入電源移除時(shí)，會(huì)自動(dòng)進(jìn)入掉電模式，降低功耗。充電使能信號(hào)為高電平有效，方便控制充電過(guò)程。

寬溫度范圍與小封裝

工作溫度范圍為 -40°C 至 +85°C，能適應(yīng)多種環(huán)境條件。采用5引腳SOT - 23封裝，占用空間小，適合對(duì)空間要求較高的設(shè)計(jì)。

電氣特性

絕對(duì)最大額定值

• 電源電壓 (V{DD}) 最大為7.0V，所有輸入和輸出相對(duì)于 (V{SS}) 的電壓范圍為 -0.3V 至 ((V_{DD} + 0.3)V)。
• 最大結(jié)溫內(nèi)部受限，存儲(chǔ)溫度范圍為 -65°C 至 +150°C。
• 所有引腳具有ESD保護(hù)，人體模型（1.5 kΩ 與100 pF串聯(lián)）下 ≥ 4 kV，機(jī)器模型（200 pF，無(wú)串聯(lián)電阻）下為400V。

DC特性

• 電源輸入：電源電壓 (V{DD}) 范圍為3.75V至6V，不同工作狀態(tài)下的電源電流有所不同，如充電時(shí)、待機(jī)（CE = (V{SS})）和關(guān)機(jī)（(V{DD} < V{BAT} - 100 mV)）時(shí)。
• 電壓調(diào)節(jié)：調(diào)節(jié)輸出電壓 (V_{REG}) 典型值為4.20V，輸出電壓公差在 -5°C 至 +55°C 范圍內(nèi)為 ±1%，線路調(diào)節(jié)和負(fù)載調(diào)節(jié)性能良好。
• 電流調(diào)節(jié)：MCP73811在PROG為低電平時(shí)，快速充電電流調(diào)節(jié)為85 mA；PROG為高電平時(shí)為450 mA。MCP73812可通過(guò)不同的PROG電阻設(shè)置充電電流，充電電流公差在 -5°C 至 +55°C 范圍內(nèi)為 ±10%。
• 其他特性：導(dǎo)通電阻 (R{DSON}) 典型值為400 mΩ，關(guān)機(jī)時(shí)電池反向泄漏電流 (I{DISCHARGE}) 最大為2 μA。

引腳說(shuō)明

CE引腳

邏輯高電平使能電池充電，邏輯低電平禁用電池充電，該輸入與1.8V邏輯兼容。

(V_{SS}) 引腳

連接到電池和輸入電源的負(fù)極。

(V_{BAT}) 引腳

連接到電池的正極，是內(nèi)部P溝道MOSFET傳輸晶體管的漏極。為確保電池?cái)嚅_時(shí)的環(huán)路穩(wěn)定性，需用至少1 μF的電容旁路到 (V_{SS})。

(V_{DD}) 引腳

建議電源電壓為 ([V{REG} (typ.) + 0.3 V]) 至6V，并用至少1 μF的電容旁路到 (V{SS})。

PROG引腳

對(duì)于MCP73811，作為數(shù)字輸入選擇，低電平選擇85 mA充電電流，高電平選擇450 mA充電電流；對(duì)于MCP73812，通過(guò)從PROG到 (V_{SS}) 放置一個(gè)電阻來(lái)設(shè)置充電電流。

工作原理

欠壓鎖定（UVLO）

MCP73811/2沒(méi)有內(nèi)部欠壓鎖定電路。

充電資格

輸入電源必須比電池電壓高150 mV，設(shè)備才會(huì)開始工作。當(dāng)輸入電源降至比電池電壓高 +50 mV 以內(nèi)時(shí)，自動(dòng)掉電電路會(huì)使設(shè)備進(jìn)入關(guān)機(jī)模式，此時(shí)電池反向放電電流小于2 μA。要開始充電周期，需滿足自動(dòng)掉電條件且充電使能輸入高于輸入高閾值。

預(yù)充電

MCP73811/2不支持對(duì)深度耗盡電池的預(yù)充電。

恒流模式 - 快速充電

在恒流模式下，MCP73811選擇的充電電流或MCP73812編程的充電電流會(huì)提供給電池或負(fù)載。MCP73812通過(guò)從PROG到 (V{SS}) 的單個(gè)電阻設(shè)置充電電流，計(jì)算公式為 (I{REG}=frac{1000 V}{R{PROG}})（(R{PROG}) 單位為千歐，(I{REG}) 單位為毫安）。恒流模式會(huì)持續(xù)到 (V{BAT}) 引腳的電壓達(dá)到調(diào)節(jié)電壓 (V_{REG})。

恒壓模式

當(dāng) (V{BAT}) 引腳的電壓達(dá)到調(diào)節(jié)電壓 (V{REG})（4.20V，公差 ±1.0%）時(shí)，開始恒壓調(diào)節(jié)。

充電終止

充電周期可通過(guò)從充電器移除電池、移除輸入電源或?qū)⒊潆娛鼓茌斎耄–E）驅(qū)動(dòng)為邏輯低電平來(lái)終止，未實(shí)現(xiàn)自動(dòng)充電終止方法。

自動(dòng)充電

由于未實(shí)現(xiàn)自動(dòng)充電終止，MCP73811/2不支持自動(dòng)充電周期，只要滿足充電資格參數(shù)，設(shè)備就會(huì)一直處于充電周期。

應(yīng)用設(shè)計(jì)

應(yīng)用場(chǎng)景

適用于低成本鋰離子/鋰聚合物電池充電器、可充電玩具、電子煙、藍(lán)牙耳機(jī)、USB充電器等。

應(yīng)用電路設(shè)計(jì)

• 組件選擇：
  • 充電電流：鋰離子電池的首選快速充電電流為1C速率，絕對(duì)最大電流為2C速率。例如，500 mAh的電池組首選快速充電電流為500 mA，此速率可在不影響電池性能和壽命的前提下提供最短的充電周期。
  • 熱考慮：電池充電器的最壞情況功耗發(fā)生在輸入電壓最大且設(shè)備從預(yù)充電模式轉(zhuǎn)換到恒流模式時(shí)，功耗計(jì)算公式為 (PowerDissipation = (V{DDMAX} - V{PTHMIN}) × I_{REGMAX})。以5V、±10%輸入電壓源為例，功耗為1.4W，此時(shí)會(huì)觸發(fā)熱調(diào)節(jié)。
  • 外部電容：為保持恒壓模式下的交流穩(wěn)定性，建議用至少1 μF的電容將 (V{BAT}) 引腳旁路到 (V{SS})。可使用任何優(yōu)質(zhì)的輸出濾波電容，電容值和等效串聯(lián)電阻（ESR）取決于輸出負(fù)載電流，對(duì)于高達(dá)500 mA的輸出電流，輸出端使用1 μF的陶瓷、鉭或鋁電解電容通常足以確保穩(wěn)定性。
  • 反向阻斷保護(hù)：MCP73811/2提供對(duì)故障或短路輸入的保護(hù)，防止電池通過(guò)內(nèi)部傳輸晶體管的體二極管放電。
  • 充電禁止：充電使能輸入引腳（CE）可在充電周期的任何時(shí)間終止充電，也可啟動(dòng)充電周期或重新充電周期。高電平使能設(shè)備，低電平禁用設(shè)備并終止充電周期，禁用時(shí)設(shè)備的電源電流通常降至50 μA。
• PCB布局：為實(shí)現(xiàn)最佳電壓調(diào)節(jié)，應(yīng)將電池組盡可能靠近設(shè)備的 (V{BAT}) 和 (V{SS}) 引腳，以減少高電流PCB走線的電壓降。如果將PCB布局用作散熱片，在散熱墊中添加多個(gè)過(guò)孔可將更多熱量傳導(dǎo)到PCB的背板，從而降低最大結(jié)溫。

總結(jié)

MCP73811/2以其高集成度、高精度的充電控制、良好的溫度管理和簡(jiǎn)單的應(yīng)用設(shè)計(jì)，為單節(jié)鋰電池/鋰聚合物電池的充電管理提供了一個(gè)優(yōu)秀的解決方案。無(wú)論是對(duì)于小型便攜式設(shè)備還是對(duì)成本敏感的應(yīng)用，它都能滿足需求。電子工程師在設(shè)計(jì)相關(guān)產(chǎn)品時(shí)，可以充分考慮MCP73811/2的特性和優(yōu)勢(shì)，打造出更高效、可靠的充電系統(tǒng)。你在使用類似充電控制器時(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)。