SEPIC型锂离子电池充电控制器LT1513

- 11 -● 新特器件应用SEP IC 型锂离子电池电控制器 L T15131 、 概述继 NiCd 、 NiM H 电池之后 , 可充电锂离子电池以其优良的特性引起了人们的广泛重视 。 L T 公司推出的 L T151X 系列电池充电器控制 IC , 采用锂离子电池所需的恒压 / 恒流充电方式以及 NiCd 、 NiM H 电池所需的恒流充电方式 , 可对各类电池进行快速充电 。 在对充电电流进行编程时 , 只需加接一个电阻器 。L T1512/ L T1513 是 500k Hz 的开关电流型整压 IC ,可用来制造具有稳定电流和电压输出的电池充电器 。 这种充电器能够在输入电压变化或低于电池电压时 , 稳定地给电池充电 。 作为 SEP IC 型 (Sin gle2Ended Pri2mar y Inductance Converter ) 充电器 IC , 它能自动选择放电或充电 (Buck Or Boost ) 模式 。 在这种充电器中 , 电池是与充电电流电路分隔开的 , 电池的负极为系统地 。 最大开关 电 流 分 别 为 1. 5A (L T1512 ) 、 3A(L T1513 ) , 充电电流可达 1A (L T1512 ) 、 2A(L T1513 ) 。2、 L T1513 的主要特点和极限参数L T1513 的主要特点如下 :● 输入电压可以高于 、 等于或低于电池电压 ;● 最大充电电压 V BA T 等于 20V ;● 准确度为 1 %的内部电压基准可满足锂离子电池的严格恒压要求 ;● 电流检测电压为 100mV ;● 电池可以直接接地 ;● 500k Hz 开关频率使电感尺寸保持最小 ;● 充电电流易于编程成断路 。极限参数为 :电源电压 :30V开关电压 :40VS/ S 脚电压 :30VFB 脚电压 (瞬态 ,10ms ) : ± 10VV FB 脚电流 :10mA 。I FB 脚电压 ( 瞬态 ,10ms ) : ± 10V贮存温度 : - 65～ + 150 ℃环境温度 :L T1513C :0 ～ + 70 ℃L T1513I : - 40～ + 85 ℃工作结温 :L T1513C :0 ～ + 125 ℃L T1513I : - 40～ + 125 ℃焊接温度 ( 10s) :300 ℃3 、 管脚封装和工作原理L T1513 的管脚排列如图 1 所示 , 内部结构如图 2 所示 。各管脚功能为 :VC : 补偿端 ,用于频率补偿 、 软启动和限流 。 VC 脚是误差放大器 EA 的输出 , 同时也是电流比较器的输入 。 当 VC 电压从 1V 变到SEP IC 型锂离子电池充电控制器 L T1513西北大学 林雯摘要 : 本文概述了线性公司生产的锂离子电池电器 L T151X 系列的特性 , 详细介绍L T1513 的内部结构 、 管脚功能和工作原理 ,并给出典型应用电路 。关键词 :锂离子电池 充电控制- 12 - 《国外电子元器件》 1997 年第 5 期 1997 年 5 月1. 9V 时 , 峰 值 开 关 电 流 从 0A 上 升 到3. 6A 。 若 V C 脚外部箝位低于内部 1. 9V 箝位电平时 ,该脚输出电流约为 200μ A 。 在 VC脚和 Gro und 脚之间直接连一个电容或 RC串联网络可以实现频率补偿 。FB : 反馈端 , 用于检测输出正电压 。 与FB 脚相连的分压器 R1/ R2 , 在对锂离子电池充电时决定了完全充电时的浮充电压 , 在对 NiCd 、 NiM H 电池充电时作为限压器使用 。 FB 是电压误差放大器 EA 的反相输入端 , 其同相输入端与内部 1. 245V 电压基准相连 。 FB 输入偏置电流的典型值为 300nA ,因此分压器电流一般为 100μ A , 用于补偿偏置电流引起的输出电压误差 。 输出分压器的接地端直接和 L T1513 的 GND 端相连 。I FB :电流反馈端 ,用于检测充电电流。 该脚是电流检测放大器的输入端 ,当电池电压低于编程极限时对充电电流进行控制。 在恒流方式下 , I FB 脚 电 压 为- 100mV , 输入电阻为5kΩ , 所以滤波器电阻R4 应该小于 50Ω ,如图3 所 示 。其 中 24Ω 、0. 22μ F 的滤波器可将检测电阻上的脉动电流变成一个平滑的 DC 电流反馈信号。GND : 接地端 , 在芯片内部与 TAB 相连后直接接地 。补偿网络 、 输出分压器 、 输出电容和输入电容都应该直接接地 。V SW : 开关端 , 是功率开关管的集电极 ,输出电流高达 3A ,升降时间短 。 为减小辐射和电压尖峰 ,该脚的布线应尽量短一些 。 在图3 中 ,沿 SW 、 C2 、 D1 、 C1 到芯片接地端这一路径要尽量短一些 , 使开关管断开时电压尖峰最小 。S/ S : 关断 / 同步端 。 该脚与逻辑电平兼容 ,需要时也可与 V IN 相连 。 悬空时默认为逻辑高电平 。如加逻辑低电平可使充电器关断 。 用一个 600～ 800k Hz 的连续逻辑信号驱动 S/ S 脚 , 可以使开关频率与外信号同步 ,内部定时器可以防止关断 。V IN : 电源输入端 , 要用一个 ESR 值很小的电容旁路 ,电容的接地端直接接地 。TAB : 两种封装型式中 , TAB 都电接地 。 如果 TAB 直接接地 ,这是一种简单的情况 。 否则的话 , 就需要一个 “ 浮点” , TAB 与图 2 L T1513 功能方框图图 1 L T1513 管脚封装图- 13 -SE P IC 型锂离子电池电控制器 L T1513图 3 输出电流为 1. 25A 的 SE P IC 充电器“浮 点 ” 间 的 电 连 接 必 须 是 低 电 阻( < 0. 1Ω ) 、 低电感 ( < 20n H) 。L T1513 是开关电流型整压 IC , 开关占空比受开关电流控制 。如图 2 所示 , 在每一振荡器周期开始时开关导通 , 当电流达到预定值时开关断开 。通过一个双重反馈电压检测误差放大器设置开关断路电流来控制输出电压和电流 , 使频率补偿得以简化 。内部稳压器给芯片内所有电路提供 2. 3V 电源 , 允许输入电压在 2. 7～ 25V 之间变动 。所有内部定时的基准时钟是一 500k Hz 振荡器 , 它通过逻辑和驱动电路打开输出开关 。自适应抗饱和电路一经检测到功率开关饱和 , 立刻调节驱动器电流以限饱和 。误差放大器同相输入端接 1. 245V 基准电压 。第一个反相端作输出正电压检测 , 第二个反相输入由电流放大器驱动。电流放大器增益固定为 - 12. 5 , 限流检测电压为 - 100mV 。放大器输出端的误差信号用作频率补偿 。 正常情况下该脚 电压在 1V (输出小电流 ) 和 1. 9V (输出大电流 ) 之间 。如果 Vc 脚电压低于其门限值 , 开关占空比变为零 , L T1513 进入空闲方式 。4、 应用作为 SE PIC 型充电器 IC ,输入电压可以高于 、 等于或小于电池电压 , 关断时无电池放电回路 ,消除了逆向变换器的缓冲器损耗 。电流检测点以地为参考 ,不用直接和电池相连 。 图中电感 L 1A 、 L 1B 实际上是同一铁心上两个相同的线圈。在图 3 中 , R3 两端电压为电流检测电压 , R3 上的平均电流与电池电流相等 。当电池电压低于分压器 R1/ R2 决定的电压限时 , R3 上电压修正为 - 100mV , 充电电流恒为100mV / R3。由 R4 和 C4 组 ;成的滤波器对电流信号进行滤波 , 使 IFB 脚得到一个平滑的反馈电压 。分压器 R1/ R2 用作电池电压检测 ,确定电池浮充电压 。 R2 的参考值是 12. 4kΩ 。R1 由下式计算 :R 1 = R 2 (VBA T - 1. 245)1. 245 + R 2 ( 0. 3μ A ) ( 1)其中 , VB A T = 电池浮充电压0. 3μ A = FB 脚偏置电流典型值R 2 取 值 12. 4kΩ 时 , 分 压 器 电 流 为100μ A , 在充电器断电情况下对电池是一消耗 。为减少消耗 , 一种方法是将 R2 阻值增大到 41. 2kΩ , 分压器电流减小为 30μ A 。这会带来 ± 0. 5 %的附加误差 :V BA T误差 = ± 0. 15μ A (R 1 ) (R 2 )1. 245 (R 1 + R2 ) ( 2)其中 , 0. 15μ A = FB 脚偏置电流在典型值0. 3μ A 附近的变动 。当 R 2 = 41. 2kΩ , R 1 = 228kΩ ( V B A T =8. 2V ) , 误差为 ± 0. 42 % 。另一种方法是充电器断电时使分压器断开 。图 4 电路中 , 用一只小 F E T 断开 R1 、R2 , 这时只有二极管漏电流 。4. 1 关断和同步S/ S 脚有双重功能 。接逻辑低电平时关断 , 输入电流为 12μ A 。 600～ 800k Hz 连续逻辑信可使开关管与外信号同步 。正常工作时应为逻辑高电平或悬空 。- 14 - 《国外电子元器件》 1997 年第 5 期 1997 年 5 月图 4 分压器电流抑制电路4. 2 电感L 1A 和 L 1B 是同一铁心上两个相同的10μ H 线圈 ,电感峰峰电流约为 0. 5A 。 电感值较小时 ,纹波电流增加导致充电电流最大值减小 ,电感值较大时 ,充电电流最大值会大一些 ,但电感体积也增大且不够经济。 建议使用低损环形铁心 , 每一线圈的串联电阻应该小于0. 04Ω 。 “ Ο p enco re” 电感产生的大磁场会干扰充电器附近的其他电子设备 ,故不宜采用。4. 3 输入电容SE P IC 结构的输入纹波电流较小 , 高次谐波很低 。 L = 10μ H 时 ,输入电容的纹波电流 RM S 值小于 0. 25A , L = 5μ H 时 ,其值小于 0. 5A 。一般情况下 , 输入电容 C3 选用ESR 值很小的 22μ F 、 25V 固体钽电容 ( Avx的 T PS 型或 Sp ra g ue 593D 型 ) , 也可选用4. 7μ F 的陶瓷电容 。在选用固体钽电容时 ,其电压额定值应该比浪涌输入电压至少高两倍 , 以防止固体钽电容被大的导通涌流损坏 。 陶瓷电容不存在上述问题 。 输入电容 C3必须直接连到 V IN 端和芯片附近的地之间 。4. 4 输出电容如果流过电池本身的开关纹波电流要求很小时 , 常把铁氧体垫圈或扼流圈与电池串联以消除高频电流 。 这样充电器的所有纹波电流都流入输出电容 , 其最大 RM S 值约为1A 。 在图 3 中用两个 22μ F 、 25V 电容并联 ,采用 Avx T PS 型或 Spra gue 593D 型固体钽电容 。4. 5 耦合电容C2 是耦合电容 ,它使输入电压可以高于或低于电池电压 。 C2 的 DC 偏压等于输入电压 , 其纹波电流的最大 RM S 值约为 1A( 充电电流饱和时 ) 。 由下式 :I CO U P (R M S ) = I CHR G (V IN + V BA T) (1. 1 )2 (V IN ) ( 3)其中 , 1. 1 是电感纹波电流和其他损耗的估算系数 。当 IC H R G = 1. 2A , V IN = 15V , V B A T =8. 2V 时 , I COU P = 1. 02A 。建 议 采 用 4. 7μ F 陶 瓷 电 容 作 耦 合 电容 。 如果纹波电流额定值适合的话 , 也可用固体钽电容 ,但电容值至少增加到 22μ F 。4. 6 二极管开关二极管 D1 应采用肖特基二极管以减小正反向恢复损耗 。 其平均电流等于输出充电电流 , 电流小于 2A 。 建议使用 3A 二极管 。 二极管最大反向电压等于输入电压与电池电压之和 。当充电器断电时 , 二极管反向漏电流对电池而言是一个直接损耗 。 大电流肖特基二极 管 即 使 在 室 温 下 漏 电 流 也 很 大 ( 5 ～500μ A ) 。 在选择开关二极管时 ,一定要仔细检查漏电流规格 ,对所有充电器电路来说 ,这都是一个应考虑的问题 。4. 7 功耗在最坏条件下 , 应确保器件的温度在允许范围内 。 R 封装的典型热阻为 30 ℃ / W ,这个值根据安装技术的改变而变化 。平均电源电流 (包括驱动电流 ) 是 :I IN = 4m A + (V BA T) (I CHRG ) ( 0. 024 )V IN ( 4)开关功耗为 :PS W = (I CHR G )2 (RSW ) (V BA T + V IN ) (V BA T )(V IN ) 2 ( 5)其中 , RS W = 输出开关导通电阻总功耗等于电源电流乘以电源电压再加- 15 -图 5 充电电流编程电路SEP IC 型锂离子电池电控制器 L T1513上开关功率 :PD ( T O T A L ) = ( I IN ) ( V IN ) + PSW ( 6)当 V IN = 10V , VB A T = 8. 2V , I CH R G =1. 2A , RSW = 0. 3Ω 时 ,I IN = 4mA + 24mA = 28mAPS W = 0. 64WPD = ( 10) (0. 028) + 0. 64 = 0. 92W4. 8 对充电电流进行编程L T1513 用一个 PW M 信号对充电电流进行编程 ,如图 5 所示 。C6 和 D2 组成一个幅度检波器 , 将正逻辑信号变成负信号 。输入 R5 的负信号等于电压 V cc 乘以 PW M 比率的倒数 。 这里假定PW M 信号是 CM O S 输出 ,源电阻小于几百欧 。 R5 和 R6 将负电压变成电流并经 C7 滤波 。该电流在 R4 上产生一个电压 , 并从L T1513 的 100mV 检 测 电 压 中 减 去 该 电压 。 由于 Vcc 和二极管电压误差的存在 , 影响了精度 , 但仍可用于在 20 %～ 100 %范围内调节充电电流 。为减小逻辑信号的负载 ,R4 阻值由 24Ω 增大到 200Ω 。应该注意到 ,占空比为 100 %使充电电流饱和 , 而占空比小于 10 %就成问题了 , 因为幅度检波器要求一定的上升时间来使 C6 复位 。咨询编号 :970503咨询地址 : 对以上器件感兴趣者请与威建北京办事处 : 北京亚运村汇园国际公寓 C 座1201 室 (100101 ) , 电话 : 010264920494 , 传真 :010 264921424