cn3063_可用太阳能电池供电的锂电池充电管理芯片.pdf

如韵电子 CONSONANCE可用太阳能电池供电的锂电池充电管理芯片CN3063概述CN3063是可以用太阳能电池供电的单节锂电池充电管理芯片。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。内部的 8位模拟 -数字转换电路， 能够根据输入电压源的电流输出能力自动调整充电电流，用户不需要考虑最坏情况，可最大限度地利用输入电压源的电流输出能力，非常适合利用太阳能电池等电流输出能力有限的电压源供电的锂电池充电应用。CN3063只需要极少的外围元器件，并且符合 USB总线技术规范，非常适合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。内部固定的恒压充电电压为 4.2V，也可以通过一个外部的电阻调节。充电电流通过一个外部电阻设置。当输入电压掉电时， CN3063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，电池温度监控以及充电状态 /充电结束状态指示等功能。CN3063采用散热增强型的 8管脚小外形封装SOP8。应用太阳能充电器利用太阳能电池充电的应用输入电压源的电流输出能力有限的应用电子词典便携式设备各种充电器特点内部集成有 8位模拟 -数字转换电路， 能够根据输入电压源的电流输出能力自动调整充电电流可利用太阳能电池等输出电流能力有限的电压源供电的锂电池充电应用输入电压范围 4.35V 到 6V 片内功率晶体管不需要外部阻流二极管和电流检测电阻恒压充电电压 4.2V， 也可通过一个外部电阻调节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涓流充电模式可设置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充电状态和充电结束状态双指示输出C/10充电结束检测自动再充电电池温度监测功能封装形式 SOP8 无铅产品管脚排列TEMP FBGNDISETVINCHRGCN30631234 5678BATDONEwww.consonance-elec.com REV 1.0 1 应用电路VIN FBCHRGDONE红色LEDBATCN30634.7uF BatISETGNDTEMPBat-RISET输入电压 4.35V 到 6V电池21537846330绿色LED22uFNTCR1图 1 典型应用电路（恒压充电电压 4.2V）VIN FBCHRGDONE红色LEDBATCN30634.7uFBatISETGNDTEMP Bat-RISET输入电压 4.35V 到 6V电池21537846330绿色LED22uFRx图 2 应用电路（利用外接电阻调整恒压充电电压）在图 2 中，电池正极的恒压充电电压为Vbat ＝ 4.2 ＋ 3.04 10-6 Rx 其中， Vbat 的单位是伏特Rx 的单位是欧姆注当使用外部电阻调整恒压充电电压时，由于芯片内部和外部的温度不一致及芯片生产时的工艺偏差等原因，可能导致输出电压的精度变差和温度系数变大。REV 1.0 2 功能框图IrefCHRGGNDTEMPISET BAT---VINTdie115 CTampVampIampVrefcontrolUVLOTEMPComparatorTerminationComparatorRechargeComparatorDONEFBDecoderandSwitch Matrix8-bit ADCVIN图 3 功能框图REV 1.0 3 管脚功能描述序号 名称 功能描述1 TEMP 电池温度检测输入端 。将 TEMP 管脚接到电池的温度传感器的输出端。如果 TEMP 管脚的电压小于输入电压的 46 VIN 超过 0.15秒，意味着电池温度过低或过高， 则充电将被暂停。 如果 TEMP 大于输入电压的 46 VIN 超过 0.15秒，则电池故障状态将被清除，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。2 ISET 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I CH V ISET 900／ RISET3 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 V IN 与 BAT管脚的电压差小于 20mV 时， CN3063 将进入低功耗的睡眠模式，此时 BAT管脚的电流小于 3μ A 。5 BAT 电池连接端 。将电池的正端连接到此管脚。在电源电压低于电源电压过低锁存阈值或者睡眠模式， BAT 管脚的电流小于 3μ A。 BAT 管脚向电池提供充电电流和恒压充电电压。6 漏极开路输出的充电结束状态指示端 。当充电结束时， 管脚被内部开关拉到低电平，表示充电已经结束；否则 管脚处于高阻态。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 FB 电池电压 Kelvin 检测输入端 。此管脚可以 Kelvin 检测电池正极的电压，从而精确调制恒压充电时电池正极的电压，避免了从电池的正极到 CN3063的 BAT 管脚之间的导线电阻或接触电阻等寄生电阻对充电的影响。如果在FB 管脚和 BAT 管脚之间接一个电阻，可以调整恒压充电电压。极限参数管脚电压 － 0.3V to 6.5V 最高结温 . 150 ℃BAT 管脚短路持续时间 连续 工作温度 . － 40℃ to 85℃存储温度 . － 65℃ to 150℃ 热阻 SOP8 TBD 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 1.0 4 电气参数VIN5V, 除非另外注明， T A－ 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 最大 单位输入电源电压 VIN 4.35 6 V 工作电流 I VIN BAT 端无负载 400 650 950 μ A 电源电压过低锁存阈值 Vuvlo V IN 下降 3.7 3.9 V 电源电压过低检测阈值迟滞 Huvlo 0.1 V 恒压充电电压 V REG FB端连接到 BAT 端 4.158 4.2 4.242 V RISET 3.6K, 恒流充电模式 400 500 600 RISET 3.6K, V BAT ＝ 2.4V 25 50 75 mA 电池连接端电流 IBATV IN 0V, 睡眠模式 3 μ A 预充电阈值预充电阈值 V PRE FB管脚电压上升 2.9 3 3.1 V 预充电阈值迟滞 HPRE 0.1 V 充电结束阈值充电结束阈值 Vterm V IN 4.45V ，测 ISET 管脚的电压 0.18 0.22 0.26 V 再充电阈值再充电阈值 V RECH FB管脚电压 V REG － 0.15 V 睡眠模式睡眠模式阈值 V SLP VIN 下降测量电压差 VIN － VBAT 20 mV 睡眠模式解除阈值 VSLPR VIN 上升测量电压差 VIN － V BAT 50 mV ISET 管脚VBAT3V ，预充电模式 0.2 ISET管脚电压V ISET 恒流充电模式 2.0 V FB管脚FB输入电流 1 IFB1 VFB3.6V ，正常充电状态 1.8 3 6 μ A FB输入电流 2 IFB2 VINVuvlo 或 VINVBAT 1 μ A TEMP 管脚阈值 V TEMP 43.5 46 48.5 V IN输入电流 TEMP 到 V IN 或到地端的电流 0.5 μ A 管脚下拉电流 I CHRG V CHRG 0.3V ，充电状态 10 mA 漏电流 V CHRG6V ，充电结束状态 1 μ A 管脚下拉电流 I DONE V DONE 0.3V ，充电结束状态 10 mA 漏电流 V DONE 6V ，充电状态 1 μ A REV 1.0 5 详细描述CN3063是专门为利用太阳能电池等输出电流能力有限的输入电压源对单节锂电池进行充电管理的芯片，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。 CN3063 内部集成有 8位模拟 -数字转换电路，能够根据输入电压源的电流输出能力自动调整充电电流，用户不需要考虑最坏情况，可根据输入电压源的最大电流输出能力设置充电电流，最大限度地利用了输入电压源的电流输出能力，非常适合利用太阳能电池等输出电流有限的电压源供电的锂电池充电应用。 CN3063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 和充电结束指示输出端 。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， CN3063会自动减小充电电流。当输入电压大于低电压检测阈值和电池端电压时， CN3063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 Kelvin 检测输入端 FB 的电压低于 3V，充电器用小电流对电池进行预充电。当电池电压 Kelvin 检测输入端 FB 的电压超过 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 Kelvin 检测输入端 FB 的电压接近电池端调制电压时，充电电流逐渐减小， CN3063进入恒压充电模式。当输入电压大于 4.45V ，并且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， 端输出低电平，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。当电池电压 Kelvin 检测输入端 FB 的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误差在 1以内，满足了电池的要求。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。上述充电过程如图 4所示涓流充电 恒流充电 恒压充电充电结束充电电流充电电压3V4.2V图 4 充电过程示意图应用信息电源低电压锁存 UVLO CN3063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CN3063内部有睡眠状态比较器，当输入电压 VIN 低于电池端电压加 20mv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 50mv以上时，充电器才离开睡眠模式，进入正常工作状态。REV 1.0 6 输入电压源限流模式当 CN3063 输入电压源的电流输出能力（带负载能力）小于第 2 管脚的电阻 RISET 所设置的充电电流时，器件内部的 8 位模拟 -数字转换电路根据输入电压源的电流输出能力自动控制充电电流， 此时实际充电电流可能小于第 2 管脚的电阻 RISET 所设置的充电电流，但是在保证 CN3063 第 4 管脚 VIN 的电压不低于最小工作电压 4.35V 的前提下，能够使得充电电流最大化，这就是输入电压源限流模式。在这种模式下用户不需要考虑最坏情况，只要根据输入电压源的最大电流输出能力设置充电电流就可以了，所以非常适合利用太阳能电池等电流输出能力有限的电压源对锂电池进行充电的应用。充电结束在恒压充电状态，当施加在 CN3063 的第 4 管脚 VIN 的电压大于 4.45V ，并且当充电电流小于所设置的恒流充电电流的 1/10 时，充电周期结束。在输入电压源限流模式，即使充电电流小于所设置的恒流充电电流的 1/10，充电也将继续，不会结束。这样可以保证即使在输入电压源的电流输出能力很微弱的情况下，也能为电池充电。预充电状态在充电周期的开始， 如果电池电压 Kelvin 检测输入端 FB 的电压低于 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。电池电压 Kelvin 检测CN3063有一个电池电压 Kelvin 检测输入端 FB ，此管脚通过芯片内部的精密电阻分压网络连接到恒压充电的误差放大器。 FB管脚可以直接连接到电池的正极， 这样可有效避免电池正极和 CN3063 的第 5管脚 BAT之间的寄生电阻（包括导线电阻，接触电阻等）对充电的影响。这些寄生电阻的存在会使充电器过早的进入恒压充电状态， 延长充电时间， 甚至使电池充不满， 通过使用电池电压 Kelvin 检测可以解决这些问题。如果将 CN3063 的电池电压 Kelvin 检测输入端 FB 悬空，那么 CN3063一直处于预充电状态，充电电流为所设置的恒流充电电流的 1/10。调整恒压充电电压如果在 CN3063 的电池电压 Kelvin 检测输入端 FB 和电池正极之间接一个电阻 ,可以提高电池正极的恒压充电电压，如图 5所示。FBCN3063BAT4.7uF85RxVbat22uFGNDVIN34输入电压图 5 调整恒压充电电压如果采用图 5中的连接方式，那么在电池的正极电压 Vbat 为Vbat ＝ 4.2 ＋ 3.04 10-6 Rx 其中， Vbat 的单位是伏特Rx的单位是欧姆当使用外部电阻调整恒压充电电压时，由于芯片内部和外部的温度不一致及芯片生产时的工艺偏差等原因，可能导致输出电压的精度变差和温度系数变大。REV 1.0 7 设定恒流充电电流在恒流模式，计算充电电流的公式为I CH 1800V / R ISET其中， I CH 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 3.6k Ω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I CH V ISET / RISET 900同时应用两个输入电源为电池充电CN3063可以利用多种输入电源为锂电池充电，这些输入电源可以是 USB接口输出的电压，也可以是墙上适配器，或者是太阳能电池等。图 6示出一个同时使用其中的两种输入电源对电池进行充电的例子，当二者共同存在时，第一输入电源具有优先权。 M1为 P沟道 MOSFET ， M1 用来阻止电流从第一输入电源流入第二输入电源，肖特基二极管 D1可防止第二输入电源通过 1K电阻消耗能量。在实际应用中，第一输入电源应接到电压比较高，输出电流能力比较强的电源上，相比之下，第二输入电源应当接到电压比较低，输出电流能力比较弱的电源上。VIN1KCN3063第一输入电源M1D1第二输入电源22uF图 6 同时使用两种输入电源为锂电池充电电池温度监测为了防止电池温度过高或者过低对电池造成的损害， CN3063 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，当 TEMP 管脚的电压大于 46 VIN 超过 0.15 秒时，芯片正常工作；如果 TEMP 管脚的电压小于 46 VIN 超过 0.15 秒，则 CN3063 认为电池的温度超出范围，充电将被暂时停止，当 TEMP 管脚的电压又重新大于 46 VIN 超过 0.15 秒时，充电会继续。如果将 TEMP 管脚接到地，电池温度监测功能将被禁止。TEMP 管脚的电压是由电池内的 NTC 或 PTC热敏电阻和一个片外电阻构成的分压网络实现的，图 1 示出了用 NTC 热敏电阻和一个片外电阻 R1 构成分压网络以防止电池温度过高。 R1 的推导十分简单，只要满足在电池温度达到高端温度保护点时， R1 和 NTC 热敏电阻在 TEMP 管脚分得的电压为 46 VIN即可。再充电当一个充电周期结束时，如果电池电压 Kelvin 检测输入端 FB 的电压低于再充电阈值时， CN3063自动开始一个新的充电周期。恒流 /恒压 /恒温充电CN3063采用恒流 /恒压 /恒温模式对电池充电，如图 3所示。在恒流模式，充电电流为 1800V/R ISET .。如果CN3063的功耗过大，器件的结温接近 115℃，放大器 Tamp开始工作，自动调整充电电流，使器件的结温REV 1.0 8 保持在大约 115℃。漏极开路状态指示输出端CN3063有两个漏极开路状态指示端， 和 ，这两个状态指示端可以驱动发光二极管或单片机端口。 用来指示充电状态， 在充电时， 为低电平； 用来指示充电结束状态， 当充电结束时，为低电平。当电池的温度处于正常温度范围之外超过 0.15秒时， 和 管脚都输出高阻态。当电池没有接到充电器时， 充电器很快将输出电容充电到恒压充电电压值， 由于电池电压 Kelvin 检测输入端 FB管脚的漏电流， FB管脚和 BAT 管脚的电压将慢慢下降到再充电阈值， 这样在 FB管脚和 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。下表列出了两个状态指示端及其对应的充电器状态，假设 管脚接红色 LED ， 管脚接绿色 LED 管脚电平（对应的 LED 状态） 管脚电平（对应的 LED 状态） 状态说明低电平（红色 LED 常亮） 高电平（绿色 LED 灭） 正在充电高电平（红色 LED 灭） 低电平（绿色 LED 常亮） 充电结束状态脉冲信号（红色 LED 闪烁） 脉冲信号（绿色 LED 亮） 电池没有接好高电平（红色 LED 灭） 高电平（绿色 LED 灭）三种可能异常状态输入电压低于电源低电压锁存阈值，或者输入电压低于电池连接端BAT 电压，或者电池温度异常当不用某个状态指示功能时，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， 22uF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 之间连接一个电容，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 7所示，这样系统的稳定性不受影响。CN3063ISETRISET10KCfilter图 7 隔离 ISET管脚的电容负载REV 1.0 9 REV 1.0 10 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 CN3063， 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 的输出电容要尽可能靠近 CN3063 。 （ 3） 在充电时， CN3063 的温度可能比较高，因而电池的 NTC 电阻要尽量远离 CN3063，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 CN3063 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。封装信息本文中所描述的电路仅供参考，上海如韵电子有限公司对使用本文中所描述的电路不承担任何责任。上海如韵电子有限公司保留对器件的设计或者器件的技术规格书随时做出修改而不特别通知的权利。REV 1.0 11