5A 锂电池充电管理集成电路 CN3002 概述 : CN3002 是 PWM 降压模式双节锂电池充电管理集成电路, 独立对锂电池充电进行自动管理, 具有封装外形小, 外围元器件少和使用简单等优点 CN3002 具有恒流和恒压充电模式, 非常适合锂电池的充电 在恒压充电模式,CN3002 将电池电压调制在 8.4V, 精度为 ±1%; 在恒流充电模式, 充电电流通过一个外部电阻设置 对于深度放电的锂电池, 当电池电压低于 5.6V 时,CN3002 用所设置的恒流充电电流的 15% 对电池进行涓流充电 在恒压充电阶段, 充电电流逐渐减小, 当充电电流降低到外部电阻所设置的值时, 充电结束 在充电结束状态, 如果电池电压下降到 4V/ 节时, 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,CN3002 自动进入低功耗的睡眠模式 其它功能包括输入低电压锁存, 电池温度监测, 电池端过压保护和充电状态指示等 CN3002 采用 16 管脚 TSSOP 封装 应用 : 便携式 DVD, 对讲机 笔记本电脑 备用电池应用 便携式工业和医疗仪器 电动工具 独立电池充电器 特点 : 宽输入电压范围 :7.5V 到 28V 对两节锂电池完整的充电管理 充电电流达 5A PWM 开关频率 :300KHz 恒压充电电压精度 : ±1% 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 充电结束电流可由外部电阻设置 电池温度监测功能 自动再充电功能 充电状态和充电结束状态指示 软启动功能 电池端过压保护 工作环境温度 :-40 到 +85 采用 16 管脚 TSSOP 封装 产品无铅, 无卤素元素, 满足 RoHS 管脚排列 : VG PGND GND 1 2 3 16 DRV 15 VCC 14 BAT CHRG 4 13 CSP CN3002 DONE 5 12 NC TEMP 6 11 COM3 EOC 7 10 test COM1 8 9 COM2 1 www.consonance-elec.com Rev 1.2
典型应用电路 : 输入电源 M1 D1 L RCS C1 C5 D2 C6 BAT 15 1 16 VG DRV VCC R1 R5 CSP BAT 13 14 D3 D4 CN3002 NC 12 4 5 6 7 CHRG DONE TEMP EOC test 10 COM2 9 COM1 8 11 COM3 R4 R2 NTC R3 GND PGND 3 2 C2 C3 C4 图 1 典型应用电路 订购信息 : 型号 工作温度 恒压充电电压 CN3002-40 到 +85 8.4V(2 节锂电池 ) www.consonance-elec.com Rev 1.2 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 2 PGND 功率地 3 GND 模拟地 4 5 CHRG 漏极开路输出端 在充电状态, 内部晶体管将此管脚拉到低电平 ; DONE 6 TEMP 7 EOC 否则, 此管脚为高阻状态 漏极开路输出端 在充电结束状态, 内部晶体管将此管脚拉到低 电平 ; 否则, 此管脚为高阻状态 电池温度监测输入端 在此管脚到地之间连接一个负温度系数的 热敏电阻 充电结束电流设置端 将此管脚直接接到地或者通过一个电阻接 到地 8 COM1 回路补偿输入端 1 在此管脚到地之间接一个 470pF 的电容 9 COM2 回路补偿输入端 2 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 10 test 测试端 需将此管脚接到地 11 COM3 回路补偿输入端 3 在此管脚到地之间接一个 100nF 的电容 12 NC 没有连接 13 CSP 充电电流检测正输入端 此管脚和 BAT 管脚测量充电电流检测电阻 RCS 两端的电压, 并将此电压信号反馈给芯片进行电流调制 14 BAT 电池电压检测输入端和充电电流检测负输入端 内部高精度电阻分压网络连接到此管脚, 同高精度的电压参考源和运算放大器一起决定了恒压充电电压 15 VCC 外部电源输入端 VCC 也是内部电路的电源 此管脚到地之间需要接一个滤波电容 16 DRV 驱动片外 P 沟道 MOS 场效应晶体管的栅极 极限参数 VCC,VG,DRV,CHRG,DONE 到 GND 的电压. -0.3V to 30V CSP,BAT 到 GND 的电压.. -0.3V to 28V COM3 到 GND 的电压....6.5V 其它管脚到 GND 的电压... -0.3V to V COM3 +0.3V 存储温度..... -65 ---150 工作环境温度.. -40 ---85 焊接温度 (10 秒 ).. 300 www.consonance-elec.com Rev 1.2 3
电气特性 : (VCC=15V,T A =-40 到 85, 除非另有注明 ) 参数符号测试条件最小典型最大单位 输入电压范围 VCC 7.5 28 V 低电压锁存阈值 UVLO 4.2 6 7.3 V 芯片工作电流 I VCC V BAT >V REG 1 1.55 2.1 ma 调制电压 V REG 恒压充电模式 8.316 8.4 8.484 V 电流检测 V CS V BAT >5.6V,V CSP -V BAT 190 200 210 V BAT <5.6V,V CSP -V BAT 18 30 42 流入 BAT 管脚电流 I BAT 充电结束模式或睡眠模式 15 25 ua 涓流充电阈值 V PRE BAT 管脚电压上升 5.4 5.6 5.8 V 涓流充电阈值迟滞 H PRE BAT 管脚电压下降 0.2 V 过压阈值 Vov 电池电压上升 1.06 1.08 1.1 过压释放阈值 Vclr 电池电压下降 0.98 1 1.02 TEMP 管脚 上拉电流 I up 38 50 62 ua 比较器高端阈值 Vthh TEMP 管脚电压上升 1.57 1.61 1.65 V 比较器低端阈值 Vthl TEMP 管脚电压下降 0.145 0.175 0.205 V CHRG 管脚 CHRG 管脚下拉电流 I CHRG V CHRG =1V, 充电模式 7 12 18 ma CHRG 管脚漏电流 I LK1 V CHRG =25V, 充电结束模式 1 ua DONE 管脚 振荡器 管脚下拉电流 I DONE V DONE =1V, 充电结束模式 7 12 18 ma 管脚漏电流 I LK2 V DONE =25V, 充电模式 1 ua 频率 f osc 240 300 360 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 ) V SLP V SLPR VCC falling VCC rising, V BAT =8V 0.06 0.1 0.14 V BAT =12V 0.1 0.14 0.18 V BAT =18V 0.18 0.23 0.28 V BAT =8V 0.26 0.32 0.39 V BAT =12V 0.32 0.42 0.52 V BAT =18V 0.38 0.47 0.58 mv V REG VH I DRV =-10mA 60 mv VL I DRV =0mA 5.8 V 上升时间 t r Cload=2nF, 10% to 90% 30 40 65 ns 下降时间 t f Cload=2nF, 90% to 10% 30 40 65 ns V V www.consonance-elec.com Rev 1.2 4
详细描述 : CN3002 是 PWM 降压型锂电池充电管理芯片, 具有恒流恒压充电模式 恒流充电电流由连接于 CSP 管脚和 BAT 管脚之间的电流检测电阻 R CS 设置, 在恒压充电模式, 电池电压为 8.4V, 精度为 1% 当 VCC 管脚电压大于低压锁存阈值, 并且大于电池电压时, 充电器正常工作, 对电池充电 如果电池电压低于 5.6V, 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 15% 当电池电压大于 5.6V, 充电器进入恒流充电模式, 此时充电电流由内部的 200mV 基准电压和一个外部电阻 R CS 设置, 即充电电流为 200mV/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 当充电电流减小到 EOC 管脚电阻设置的值时, 充电结束,DRV 管脚输出高电平 漏极开路输出管脚内部的晶体管关断, 输出为高阻态 ; 另一个漏极开路输出管脚内部的晶体管接通, 输出低电平, 以指示充电结束状态 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 ; 如果电池电压下降到再充电阈值 4V/ 节, 那么也将自动开始新的充电周期 当输入电压掉电时,CN3002 自动进入睡眠模式, 内部电路被关断, 这样可以减少电池的电流消耗, 延长待机时间 为了监测电池温度, 需要在 TEMP 管脚和 GND 管脚之间连接一个 10kΩ 的负温度系数的热敏电阻 如果电池温度超出正常范围, 充电过程将被暂停, 直到电池温度回复到正常温度范围内为止 CN3002 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 1.08 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或一下 在在某些情况下, 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 4.2V/ 节 2.8V/ 节 充电电流电池电压 图 2 充电过程示意图 充电结束 www.consonance-elec.com Rev 1.2 5
应用信息 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 6V( 典型值 ) 时, 内部电路被关断, 充电器不工作 涓流充电在充电状态, 如果电池电压低于 5.6V, 充电器进入涓流充电模式, 此时充电电流为所设置的恒流充电电流的 15% 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 管脚之间的充电电流检测电阻充电结束电流的设置在恒压充电模式, 充电电流逐渐减小, 当充电电流减小到 EOC 管脚的电阻所设置的电流时, 充电结束 充电结束电流由下式决定 : 其中 : I EOC 充电结束电流, 单位为安培 Rext 是从 EOC 管脚到地之间连接的电阻, 单位为欧姆 Rext 的电阻值不能大于 100KΩ, 否则充电将不能正常结束 R CS 是在 CSP 管脚和 BAT 管脚之间的充电电流检测电阻, 单位为欧姆 根据上面的公式可以计算充电结束电流与恒流充电电流的比值 : 当 Rext=0 时,I EOC /I CH =9.17%, 即用户可设置的最小充电结束电流为所设置的恒流充电电流的 9.17% 当 Rext=100KΩ 时,I EOC /I CH =73%, 即用户可设置的最大充电结束电流为所设置的恒流充电电流的 73% 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, 电池电压逐渐下降, 当电池电压降低到 4V/ 节时, 将开始新的充电周期, 这样可以保证电池的饱满度在 80% 以上 电池温度监测为了监测电池的温度, 需要一个紧贴电池的负温度系数的热敏电阻 当电池的温度超出可以接受的范围时, 充电将被暂时停止, 直到电池温度回复到正常范围内 负温度系数的热敏电阻应该连接在 TEMP 管脚和地之间 在芯片内部,TEMP 管脚连接到两个比较器的输入端, 其低电压阈值为 175 毫伏, 对应正常温度范围的上限温度点 ; 高电压阈值为 1.6 伏特, 对应正常温度范围的下限温度点 TEMP 管脚的上拉电流为 50uA, 所以负温度系数的热敏电阻值在 25 时应该为 10kΩ, 在上限温度点时其 www.consonance-elec.com Rev 1.2 6
电阻值应该大约为 3.5kΩ( 约对应 50 ); 在下限温度点时其电阻值应该大约为 32kΩ( 约对应 0 ) 一些负 温度系数热敏电阻, 比如 TH11-3H103F,MF52(10 kω),qwx-103 和 NCP18XH103F03RB 等, 都能与 CN3002 配合使用 前面所列负温度系数的热敏电阻的型号仅供参考, 用户可以根据具体需要选择合适的 型号 如果在上限温度点和下限温度点处负温度系数热敏电阻值比 3.5 kω 和 32kΩ 稍微大一点, 用户可以通过同 热敏电阻并联一个普通电阻, 将正常工作温度范围向下移动 ; 反之, 可以同热敏电阻串联一个普通电阻, 将正常工作温度范围向上移动 如果不用电池温度监测功能, 只要在 TEMP 管脚到地之间接一个 10KΩ 的电阻即可 状态指示 CN3002 有两个漏极开路状态指示输出端 : 管脚和 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 在充电结束状态, 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,CN3002 将输出电容充电到恒压充电电压, 并进入充电结束状态, 由于 BAT 管 脚的工作电流对输出电容的放电效应,BAT 管脚的电压将慢慢下降到再充电阈值,CN3002 再次进入充电 状态, 这样在 BAT 管脚形成一个锯齿波形, 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 10uF 时, 脉冲的频率大约为 10Hz 当不用状态指示功能时, 将不用的状态指示输出端接到地 表 1 列明了两个状态指示端口对应的充电器状态 这里假设红色 LED 连接到 管脚, 绿色 LED 连接到 管脚, 其连接方式如图 1 所示 管脚 管脚 状态描述 低电平 ( 红色 LED 亮 ) 高阻态 ( 绿色 LED 灭 ) 充电 高阻态 ( 红色 LED 灭 ) 低电平 ( 绿色 LED 亮 ) 充电结束 脉冲信号 脉冲信号 没有连接电池 高阻态 ( 红色 LED 灭 ) 高阻态 ( 绿色 LED 灭 ) 三种可能情况 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 电池温度异常 表 1 状态指示说明 片外功率管驱动 CN3002 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接通和关断片外 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 40nS 一般来讲, 一个导通电阻为 50 毫欧的 MOS 场效应晶体管的等效电容大约为 2nF CN3002 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 CN3002 配合使用, 从而提高了充电器的工作效率 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, 需要下面的回路补偿元件 : (1) 从 COM1 管脚到地之间接一个 470pF 的电容 (2) 从 COM2 到地之间串联连接一个 120Ω 的电阻和一个 220nF 的瓷片电容 (3) 从 COM3 到地之间连接一个 100nF 的瓷片电容电池连接检查 CN3002 没有电池连接检查功能 当电池没有连接到充电器上时,CN3002 将输出电容作为电池充电到恒压 www.consonance-elec.com Rev 1.2 7
充电电压后, 进入充电结束状态, 由于 BAT 管脚的工作电流对输出电容的放电效应,BAT 管脚的电压将慢慢下降到再充电阈值,CN3002 再次进入充电状态, 充电器将在充电状态和充电结束状态之间循环, 这样在 BAT 管脚形成一个锯齿波形, 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 10uF 时, 脉冲的频率大约为 10Hz 最好不要在充电器运行时将电池接入充电器, 否则充电器可能在短时间内向电池灌入较大电流 输入和输出电容输入电容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 对输出电容的选择, 为了降低输出端的纹波电压和改善瞬态特性, 主要考虑串联等效电阻 (ESR) 一般来讲,10uF 的输出电容可以满足要求 电感的选择在正常工作时, 瞬态电感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 是输入电压在选取电感值时, 可将电感纹波电流限制在 I L =0.4 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 所以充电电流较低时, 应该选用较大的电感值 关于电感值的选择, 请参考表 2: 1A 2A 3A 4A 5A MOSFET 的选择 充电电流输入电压电感值 >20V 40uH <20V 30uH >20V 30uH <20V 20uH >20V 20uH <20V 15uH >20V 15uH <20V 10uH >20V 10uH <20V 8uH 表 2 电感值的选择 CN3002 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 5.8V( 典型值 ), 可以使用低开启电压的 P 沟道 MOS 场效应晶体管 所 www.consonance-elec.com Rev 1.2 8
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 AO4459,STM9435( 或 WT9435) 和 AO3407A, 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 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低输入电压的要求 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 设计 PCB 的考虑为了保证 CN3002 能够正常工作和提高转换效率, 在设计 PCB 时, 需要考虑下面几点 : (1) 为了保证尽可能低的电磁辐射, 两个二极管,P 沟道 MOS 场效应晶体管, 电感和输入滤波电容的引线要尽量短 输入电容的正极到 P 沟道 MOS 场效应晶体管的距离也要尽量短 (2) 在 COM1,COM2 和 COM3 管脚的回路补偿元件的接地端要接到 CN3002 的模拟地 (GND), 这样可以避免开关噪声影响回路的稳定性 (3) 输出电容的接地端和输入电容的接地端要先接到同一块铜皮再返回系统的地端 (4) 模拟地和流经大电流 ( 功率地 ) 的地要独自返回系统地 (5) CN3002 的 GND 管脚和 PGND 管脚也具有散热的功能, 所以接地的铜皮面积要尽可能大 对于输入电压比较高或者片外 P 沟道 MOS 场效应晶体管的栅极电容比较大的情况, 此点尤其重要 (6) 将充电电流检测电阻 R CS 靠近电感的输出端, 其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 (7) 为了保证充电电流检测精度,CSP 管脚和 BAT 管脚要直接连接到充电电流检测电阻上 如图 3 所示 www.consonance-elec.com Rev 1.2 9
图 3 充电电流的检测 www.consonance-elec.com Rev 1.2 10
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 www.consonance-elec.com Rev 1.2 11