具有太阳能电池最大功率点跟踪功能的 4A 多节电池充电管理集成电路 ZS3795 概述 : ZS3795 是一款可使用太阳能板供电的 PWM 降压模式多节电池充电管理集成电路, 独立对多节电池充电进行管理, 具有封装外形小, 外围元器件少和使用简单等优点 ZS3795 具有涓流, 恒流和恒压充电模式, 非常适合锂电池, 磷酸铁锂电池和钛酸锂电池充电管理 在恒压充电模式,ZS3795 将电池电压调制在外部反馈电阻所设置的电压 ; 在恒流充电模式, 充电电流通过一个外部电阻设置 当用太阳能板供电时, 内部电路能够自动跟踪太阳能板的最大功率点, 用户不需要考虑最坏情况, 可最大限度地利用太阳能板的输出功率, 非常适合利用太阳能板供电的应用 对于深度放电的锂电池, 当电池电压低于恒压充电电压的 66.5%( 典型值 ) 时,ZS3795 用所设置的恒流充电电流的 17.5% 对电池进行涓流充电 在恒压充电阶段, 充电电流逐渐减小, 当充电电流降低到恒流充电电流的 16% 时, 充电结束 在充电结束状态, 如果充电电流再上升到恒流充电电流的 58.8% 以上, 自动开始新的充电周期 当输入电源掉电或者输入电压低于电池电压时, ZS3795 自动进入睡眠模式 其它功能包括输入低电压锁存, 电池端过压保护和充电状态指示等 ZS3795 采用 10 管脚 SSOP 封装 应用 : 手持设备 应急灯 备用电池应用 便携式工业和医疗仪器 电动工具 锂电池, 磷酸铁锂电池和钛酸锂电池充电 特点 : 太阳能板最大功率点跟踪功能 可对单节或多节锂电池, 磷酸铁锂电池或钛酸锂电池进行完整的充电管理 宽输入电压范围 :6.6V 到 30V 电池没有连接时, 可作为恒压源使用 充电电流可达 4A PWM 开关频率 :310KHz 恒压充电电压由外部电阻设置 恒流充电电流由外部电阻设置 对深度放电的电池进行涓流充电 自动再充电功能 充电状态指示 软启动功能 电池端过压保护 工作环境温度 :-40 到 +85 采用 10 管脚 SSOP 封装 产品无铅, 满足 Rohs, 不含卤素 管脚排列 : VG GND CHRG MPPT COM 1 2 3 4 5 ZS3795 10 DRV 9 VCC 8 CSP 7 BAT 6 FB Revision ZS3795 V023 SHENZHEN ZASEM MICROELECTRONICS CO.,LTD. Page 1
典型应用电路 : D1 输入电源 M1 * L RCS C1 C2 100nF D2 C3 BAT 1 10 VG DRV 9 VCC R5 R3 CSP 8 D3 ZS3795 BAT 7 FB 6 3 CHRG COM 5 R1 R6 4 MPPT GND 2 R4 120 C4 220nF R2 *: 二极管 D1 可以不用, 详情请参考第 9 页 " 二极管的选择 和 睡眠模式电池电流 部分 图 1 典型应用电路 订购信息 : 型号包装工作环境温度 ZS3795 盘装, 每盘 3000 只 -40 到 +85 Revision ZS3795 V023 SHENZHEN ZASEM MICROELECTRONICS CO.,LTD. Page 2
管脚描述 : 管脚序号名称说明 1 VG 内部电压调制器输出 为内部驱动电路提供电源, 在 VG 管脚和 VCC 管脚之间需要接一个 100nF 的电容 2 GND 地 输入电源的负输入端和电池负极 3 CHRG 4 MPPT 5 COM 充电状态指示端 漏极开路输出 在充电状态, 内部晶体管将此 管脚拉到低电平 ; 否则, 此管脚为高阻状态 太阳能板最大功率点跟踪端 在太阳能板最大功率点跟踪状态, 此管脚电压被调制到 1.205V 此管脚需要外接电阻分压网络以 检测太阳能板的电压 回路补偿输入端 在此管脚到地之间串联连接一个 120Ω 的电阻 和一个 220nF 的电容 6 FB 电池电压反馈输入端 外接电阻分压网络以检测电池电压 7 BAT 8 CSP 9 VCC 电池正极连接端和充电电流检测负输入端 此管脚连接到电池 的正极 同时, 此管脚和 CSP 管脚用于测量电流检测电阻 RCS 两端的电压, 并将此电压信号反馈给 ZS3795 进行电流调制 充电电流检测正输入端 此管脚和 BAT 管脚用于测量电流检测电 阻 RCS 两端的电压, 并将此电压信号反馈给 ZS3795 进行电流调制 外部电源正极输入端 VCC 也是内部电路的电源 此管脚到地 之间需要接滤波电容 10 DRV 栅极驱动端 驱动片外 P 沟道 MOS 场效应晶体管的栅极 极限参数 VCC,CHRG 到 GND 的电压... -0.3V to 33V VG,DRV 管脚到 VCC 管脚电压... -8V to VCC+0.3V CSP,BAT 到 GND 的电压... -0.3V to 27V MPPT,COM,FB 到 GND 的电压...-0.3V to 6.5V 存储温度... -65 到 150 工作环境温度... -40 到 85 焊接温度 (10 秒 )... 260 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 Revision ZS3795 V023 SHENZHEN ZASEM MICROELECTRONICS CO.,LTD. Page 3
电气特性 : (VCC=15V,T A =-40 到 85, 除非另有注明 ) ZS3795 参数符号测试条件最小典型最大单位 输入电压范围 VCC 6.6 30 伏特 低电压锁存阈值 UVLO 4 5.2 6.5 伏特 芯片工作电流 I VCC V BAT >V REG 0.7 1.0 1.3 毫安 FB 管脚反馈电压 V REG 恒压充电模式 1.193 1.205 1.22 伏特 FB 管脚偏置电流 I FB V FB =1.2V 60 300 纳安 V BAT >V PRE,V CSP -V BAT 110 120 130 电流检测 V CS V BAT <V PRE,V CSP -V BAT 10 21 36 流入 BAT 管脚电流 I BAT1 充电结束模式,V BAT =7.4V 10 15 I BAT2 睡眠模式,V BAT =7.4V 15 涓流充电阈值 V PRE BAT 管脚电压上升 64 66.5 69 %V REG 涓流充电阈值迟滞 H PRE BAT 管脚电压下降 2.5 %V REG 充电结束阈值 I term 充电电流下降 16 %I CC 再充电阈值 V RE 充电电流上升 58.8 %I CC 过压阈值 Vov BAT 管脚电压上升 1.04 1.07 1.1 V REG 过压释放阈值 Vclr BAT 管脚电压下降 1.0 1.02 1.04 CHRG 管脚 CHRG 管脚下拉电流 I CHRG V CHRG =1V, 充电状态 7 12 18 毫安 CHRG 管脚漏电流 I LK1 V CHRG =30V, 充电结束状态 1 微安 MPPT 管脚 MPPT 管脚调制电压 V MPPT 在最大功率点跟踪状态 1.18 1.205 1.23 V MPPT 管脚电流 I MPPT -100 0 100 na 振荡器 频率 f osc 260 310 360 khz 最大占空比 Dmax 94 % 睡眠模式 睡眠模式阈值 ( 测量 VCC-V BAT ) 睡眠模式释放阈值 ( 测量 VCC-V BAT ) DRV 管脚 V DRV 高电平 (VCC-V DRV ) V DRV 低电平 (VCC-V DRV ) 毫伏 微安 V SLP VCC falling V BAT =8V 0.0 0.05 0.1 伏特 V SLPR VCC rising, V BAT =8V 0.2 0.32 0.46 伏特 VH I DRV =-10mA 60 毫伏 VL I DRV =0mA 6.3 伏特 上升时间 t r Cload=2nF, 10% to 90% 30 40 65 纳秒 下降时间 t f Cload=2nF, 90% to 10% 30 40 65 纳秒注 :V REG 表示恒压充电电压 ;I CC 表示恒流充电电流 Revision ZS3795 V023 SHENZHEN ZASEM MICROELECTRONICS CO.,LTD. Page 4
详细描述 : ZS3795 是一款可使用太阳能板供电的 PWM 降压型多节电池充电管理集成电路, 可用于单节或多节锂电池, 磷酸铁锂电池或钛酸锂电池的充电管理 ZS3795 具有涓流, 恒流和恒压充电模式 恒流充电电流由 CSP 管脚 和 BAT 管脚之间的电流检测电阻 R CS 设置 恒压充电电压通过连接于 FB 管脚的反馈电阻设置 当 VCC 管脚电压大于低压锁存阈值, 并且大于电池电压时,ZS3795 正常工作 如果电池电压低于涓流充电阈 值, 充电器自动进入涓流充电模式, 此时充电电流为所设置的恒流充电电流的 17.5% 当电池电压大于涓流充 电阈值, 充电器进入恒流充电模式, 此时充电电流由内部的 120mV 基准电压和一个外部电阻 R CS 设置, 即充电电 流为 120mV/R CS 当电池电压继续上升接近恒压充电电压时, 充电器进入恒压充电模式, 充电电流逐渐减小 在充电状态, 漏极开路输出 管脚内部的晶体管导通, 输出低电平, 以指示充电状态 当充电电流减小到 恒流充电电流的 16% 时, 充电结束,DRV 管脚输出高电平 漏极开路输出 为高阻态, 以指示充电结束状态 管脚内部的晶体管关断, 输出 在充电结束状态, 如果断开输入电源, 再重新接入, 将开始一个新的充电周期 ; 如果充电电流再上升到再充 电阈值以上, 那么也将自动开始新的充电周期 ZS3795 可以使用太阳能板供电, 具有太阳能板最大功率点跟踪功能 太阳能板最大功率点电压通过两个电阻分 压后反馈到 MPPT 管脚, 在最大功率点跟踪状态,MPPT 管脚电压被调制在 1.205V( 典型值 ) 当输入电压掉电时,ZS3795 自动进入睡眠模式, 内部电路被关断 ZS3795 内部还有一个过压比较器, 当 BAT 管脚电压由于负载变化或者突然移走电池等原因而上升时, 如果 BAT 管脚电压上升到恒压充电电压的 1.07 倍时, 过压比较器动作, 关断片外的 P 沟道 MOS 场效应晶体管, 充电 器暂时停止, 直到 BAT 管脚电压回复到恒压充电电压的 1.02 倍以下 在某些情况下, 比如在电池没有连接到充 电器上, 或者电池突然断开,BAT 管脚的电压可能会达到过压保护阈值, 此为正常现象 充电电流和充电电压示意图如图 2 所示 涓流充电恒流充电恒压充电 VREG Vpre 充电电流电池电压 图 2 充电过程示意图 充电结束 Revision ZS3795 V023 SHENZHEN ZASEM MICROELECTRONICS CO.,LTD. Page 5
应用信息 ZS3795 低电压锁存 (UVLO) 芯片内部的低电压锁存电路监测输入电压, 当输入电压低于 6.5V( 最大值 ) 时, 内部电路被关断,ZS3795 被禁 止工作 涓流充电在充电状态, 如果电池电压低于恒压充电电压的 66.5%( 典型值 ) 时, 充电器进入涓流充电模式, 此时充电电流 为恒流充电电流的 17.5% 恒流充电电流的设置恒流充电电流由下式决定 : 其中 : I CH 是恒流充电电流 R CS 是连接于 CSP 管脚和 BAT 管脚之间的电流检测电阻设置恒压充电电压如图 1 所示, 电池端的电压通过电阻 R1 和 R2 构成的电阻分压网络反馈到 FB 管脚,ZS3795 根据 FB 管脚的电压 决定充电状态 当 FB 管脚的电压接近 1.205V 时, 充电器进入恒压充电状态 在恒压充电状态, 充电电流逐渐 下降, 电池电压保持不变 考虑到流入 FB 管脚的偏置电流, 在恒压充电状态电池端对应的的电压为 : VBAT=1.205 (1+R1/R2)+I B R1 其中,I B 是 FB 管脚的偏置电流, 其典型值为 60nA 从上式可以看到,FB 管脚偏置电流导致电阻分压网络的分压结果存在误差, 误差值为 I B R1 假设 R1= 500KΩ, 那么误差值约为 30 毫伏 所以在设计电阻分压网络时, 应该将上述误差考虑在内 可设置的恒压充电电压不能大于 25V 由于电阻 R1 和 R2 会从电池消耗一定的电流, 在选取 R1 和 R2 的电阻值时, 应首先根据所允许消耗的电流选取 R1+R2 的值, 然后再根据上式分别计算 R1 和 R2 的值 太阳能电池最大功率点跟踪 ZS3795 采用恒电压法跟踪太阳能板的最大功率点 在太阳能板的伏安特性曲线中, 当环境温度一定时, 在不 同的日照强度下, 输出最大功率的点所对应的输出电压基本相同, 亦即只要保持太阳能板的输出端电压为恒 定电压, 就可以保证在该温度下光照强度不同时, 太阳能板输出最大功率 ZS3795 太阳能板最大功率点跟踪端 MPPT 管脚的电压被调制在 1.205V, 配合片外的两个电阻 ( 图 1 中的 R5 和 R6) 构成的分压网络, 可以实现对太阳能板最大功率点进行跟踪 太阳能板最大功率点电压由下式决定 : VMPPT=1.205 (1+R5/R6) 充电结束在恒压充电模式, 充电电流逐渐下降, 当充电电流下降到恒流充电电流的 16% 时, 充电过程结束, 输出高阻态, 指示充电结束 此时 ZS3795 继续以恒压方式对电池充电, 以保证电池充满 当电池电压低于恒压充电电压的 95.8% 时, 即使充电电流下降到恒流充电电流的 16%, 充电过程也不结束 也 管脚 Revision ZS3795 V023 SHENZHEN ZASEM MICROELECTRONICS CO.,LTD. Page 6
就是说, 充电结束有两个条件, 一个是电池电压大于恒压充电电压的 95.8%; 另一个条件是充电电流下降到 恒流充电电流的 16% 自动再充电充电结束以后, 如果输入电源和电池仍然连接在充电器上, 由于电池自放电或者负载的原因, 导致充电电流 上升到恒流充电电流的 58.8% 以上时,ZS3795 自动进入充电状态, 开始新的充电周期 状态指示 ZS3795 有一个漏极开路状态指示输出端 : 管脚 在充电状态, 管脚被内部晶体管下拉到低电平, 在其它状态 管脚为高阻态 当电池没有接到充电器时,ZS3795 可作为电压源输出恒定电压, 电压值为所设置的恒压充电电压, 此时 管脚为高阻态 当不用状态指示功能时, 将 管脚接到地 表 1 列明了管脚对应的充电器状态 这里假设红色 LED 连接到管脚, 其连接方式如图 1 所示 片外功率管驱动 管脚 低电平 ( 红色 LED 亮 ) 高阻态 ( 红色 LED 灭 ) 三种可能情况 状态描述 充电 VCC 管脚电压低于低压锁 存电压, 或者 VCC 管脚电压低于 BAT 管 脚电压, 或者 充电结束 表 1 状态指示说明 ZS3795 的 DRV 管脚用于驱动片外 MOS 场效应晶体管的栅极, 该管脚能够提供比较大的瞬态电流以快速开启和 关断片外 MOS 场效应晶体管 在驱动 2nF 的负载情况下, 上升时间和下降时间典型值为 30nS 一般来讲, 一 导通电阻为 35 毫欧,30V 的 MOS 场效应晶体管的等效电容大约为 2nF ZS3795 内部有钳位电路, 以保证 DRV 管脚的低电平比 VCC 管脚的电压低 8V( 最大值 ) 比如, 假设 VCC 的电 压为 20V, 那么 DRV 管脚的低电平为最小 12V 这样, 一些具有极低导通电阻的低压 P 沟道 MOS 场效应晶体 管可以与 ZS3795 配合使用, 从而提高了充电器的工作效率, 客户也有更多的选择 回路补偿为了保证电流调制回路和电压调制回路的稳定性, 需要从 COM 到地之间串联连接一个 120Ω 的电阻和一个 220nF 的瓷片电容 ZS3795 作为恒压源使用当电池没有连接到充电器上时,ZS3795 可作为恒压源使用, 其输出电压值为所设置的恒压充电电压, 最大输 出电流为所设置的恒流充电电流 输入电容输入电容 ( 图 1 中的 C1) 对输入电源起滤波作用, 需要吸收在输入电源上产生的纹波电流, 所以输入电容必须有 Revision ZS3795 V023 SHENZHEN ZASEM MICROELECTRONICS CO.,LTD. Page 7
足够的额定纹波电流 在最坏情况下, 输入电容的额定 RMS 纹波电流需要达到充电电流的二分之一 同时为了 抑制寄生电感等在开关瞬间产生的高频振荡, 输入电容最好由下面三个电容并联组成 : 电解电容 : 电容值由输入电源的特性和充电电流等因素决定 陶瓷电容 : 电容值在 1uF 到 10uF 高频陶瓷电容 : 电容值在 47nF 到 1uF 输出电容为了降低输出端的纹波电压和改善瞬态特性, 输出电容 ( 图 1 中的 C3) 应该选择串联等效电阻 (ESR) 较小的电容 输出电容最好由下面两个电容并联组成 : 电解电容 : 电容值 10uF 陶瓷电容 : 电容值在 1uF 到 10uF 电感的选择在正常工作时, 电感瞬态电流是周期性变化的 在 P 沟道 MOS 场效应晶体管导通期间, 输入电压对电感充电, 电感电流增加 ; 在 P 沟道 MOS 场效应晶体管关断期间, 电感向电池放电, 电感电流减小 电感的纹波电流随 着电感值的减小而增大, 随着输入电压的增大而增大 较大的电感纹波电流会导致较大的纹波充电电流和磁 损耗 所以电感的纹波电流应该被限制在一个合理的范围内 电感的纹波电流可由下式估算 : 其中 : f 是开关频率,300KHz L 是电感值 V BAT 电池电压 VCC 是输入电压 Revision ZS3795 V023 SHENZHEN ZASEM MICROELECTRONICS CO.,LTD. Page 8
在选取电感值时, 可将电感纹波电流限制在 I L 0.3 I CH,I CH 是充电电流 请留意最大电感纹波电流 I L 出现在输入电压最大值和电感最小值的情况下 除了上述的公式, 电感值应该同时满足下面公式要求 : 为保证有较低的电磁辐射, 电感最好为贴片式屏蔽电感 MOSFET 的选择 ZS3795 的应用电路需要使用一个 P 沟道 MOS 场效应晶体管 选择该 MOS 场效应晶体管时应综合考虑转换效 率,MOS 场效应晶体管功耗以及最高温度 在芯片内部, 栅极驱动电压被钳位在 6.3V( 典型值 ), 可以使用低开启电压的 P 沟道 MOS 场效应晶体管 所以需 要留意该 MOS 场效应晶体管的击穿电压 BV DSS 要大于最高输入电压 选择 P 沟道 MOS 场效应晶体管时需要考虑的因素包括导通电阻 Rds(on), 栅极总电荷 Qg, 反向传导电容 C RSS, 输入电压和最大充电电流 MOS 场效应晶体管的最大功耗可以用下式来近似 : 其中 : Pd 是 MOS 场效应晶体管的功耗 VBAT 是电池的最高电压 VCC 是最小输入电压 Rds(on) 是 P 沟道场效应晶体管在室温 (25 ) 条件下的导通电阻 ICH 是充电电流 dt 是 P 沟道 MOS 场效应晶体管的实际温度与室温 (25 ) 的温度差 除了前面公式所描述的导通损耗 I 2 Rds(on) 外,MOS 场效应晶体管还有开关损耗, 开关损耗随着输入电压的增 加而增加 一般来讲, 在输入电压小于 20V 时, 导通损耗大于开关损耗, 应该优先考虑导通电阻比较小的 MOS 场 效应晶体管 ; 在输入电压大于 20V 时, 开关损耗大于导通损耗, 应该优先考虑反向传导电容 C RSS 比较小的 MOS 场效应晶体管 一般 C RSS 的值在 MOS 场效应晶体管的技术规格书中都有列明, 如果没有明确列明该电容 值, 可由公式 C RSS = Q GD /ΔV DS 来估算 很多型号的 MOS 场效应晶体管, 比如 2305,4435,4459,9435( 或 9435) 和 3407A, 都可以选用 前面所列 MOS 场效应晶体管的型号仅供参考, 用户需要根据具体要求来选用适合的型号 Revision ZS3795 V023 SHENZHEN ZASEM MICROELECTRONICS CO.,LTD. Page 9
二极管的选择在典型应用电路图 1 中的二极管 D1 和 D2 均为肖特基二极管 这两个二极管通过电流能力至少要比充电电流大 ; 二极管的耐压要大于最高输入电压的要求 二极管 D1 和 D2 的选择原则为够用即可, 如果所选用二极管的通过电流能力或耐压远远超过所需要的值, 由于这 样的二极管具有较高的结电容, 将增加充电器的开关损耗, 降低效率 二极管 D1 用来作阻流二极管, 防止在输入电源掉电时消耗电池的能量 在睡眠模式, 如不用二极管 D1,ZS3795 消耗 的电池电流大约 51 微安, 所以可根据电池容量等因素考虑不用二极管 D1 睡眠模式电池电流在图 1 所示的典型应用电路中, 当输入电压掉电或者输入电压低于电池电压时,ZS3795 进入睡眠模式 在睡 眠模式电池消耗的电流包括 : (1) 流入 BAT 管脚和 CSP 管脚的电流, 大约为 10uA(V BAT =8V) (2) 从电池端经过阻流二极管 D1 流到输入电压端的电流, 此电流由二极管 D1 的漏电流决定 ; 如果不用二极管 D1, 电池电压通过电感,MOS 场效应晶体管的体二极管施加到 ZS3795 的 VCC 管脚, 流 入 VCC 管脚电流大约 42uA(V BAT =8V) (3) 从电池端经过二极管 D2 流到地 (GND) 的电流, 此电流由二极管 D2 的漏电流决定 关于高频振荡的抑制在高输入电压或大充电电流的情况下, 如果 PCB 布局布线不合理, 或者二极管,P 沟道场效应晶体管的寄生电 感比较大, 在 P 沟道场效应晶体管导通或关断瞬间, 会产生几十兆赫兹以上的高频振荡, 用示波器可以在输 入电源的正极和二极管 D2 的负极观测到高频振荡波形 为了抑制高频辐射, 除了改进 PCB 布局布线以外, 还可以增加高频抑制电路, 如图 3 中的 R5 和 C5 输入电源 M1 D1 L RCS C1 C2 100nF 1 10 D2 R5 C5 C3 BAT 9 VCC VG DRV ZS3795 CSP 8 BAT 7 GND 2 FB 6 图 3 高频振荡抑制 Revision ZS3795 V023 SHENZHEN ZASEM MICROELECTRONICS CO.,LTD. Page 10
设计 PCB 的考虑良好的 PCB 设计对于保证 ZS3795 正常工作, 降低电磁辐射和提高转换效率非常重要 针对图 1 中的电路, 设 计 PCB 时需要考虑下面几点 : (1) 输入滤波电容正极要靠近 P 沟道 MOS 场效应晶体管的源极 ; (2) 二极管 D1 和 D2 须靠近电感, 电流检测电阻须靠近电感 ; (3) 输出电容须靠近电流检测电阻 ; (4) 输入滤波电容,P 沟道 MOS 场效应晶体管, 二极管 D1 和 D2, 电感, 电流检测电阻和输出滤波电容的引线 要尽量短 ; (5) 电阻 R1,R2,R4,R5,R6 和电容 C4 要尽量靠近 ZS3795; (6) 在 ZS3795 的 GND 管脚, 电阻 R2,R6 接地端和 COM 管脚的回路补偿元件的接地端要单独接到系统地, 这 样可以避免开关噪声影响回路的稳定性 输入电容的接地端, 二极管 D2 的正极和输出电容的接地端要先 接到同一块铜皮再返回系统地 此点对保证 ZS3795 正常工作非常重要 (7) 电流检测电阻 R CS 的放置方向要保证从芯片的 CSP 管脚和 BAT 管脚到 R CS 的连线比较短 CSP 管脚和 BAT 管 脚到 R CS 的连线要在同一层次上, 而且距离要尽可能小 为了保证充电电流检测精度,CSP 管脚和 BAT 管 脚要直接连接到电流检测电阻上 如图 4 所示 图 4 充电电流的检测 Revision ZS3795 V023 SHENZHEN ZASEM MICROELECTRONICS CO.,LTD. Page 11
封装信息 Revision ZS3795 V023 SHENZHEN ZASEM MICROELECTRONICS CO.,LTD. Page 12