LN2406

四段电量显示的单芯片移动电源专用 IC 产品概述 LN1001 是一款集充电管理 电量检测 LED 电量显示 LED 手电 升压 DC/DC 等一体的单芯片专用 IC, 适用于单节锂离子 / 锂聚合物电池的充放电管理, 可以应用于移动电源, 手持设备,PDA, 智能手机等 它集成的高效同步 BUCK 锂电池充电管理, 最大可以达到 2A 的充电电流 ; 集成的升压 DC/DC 可以输出最大达到 1.5A 的放电电流, 并且智能判断负载插入和拔除, 进行自动升压和自动关机 ; 集成的电池电量检测和 4 段显示, 无论在充电还是放电的状态, 均可以有效地指示电池当前剩余的电量 通过唯一的按键, 可以很方便地控制升压的启动和手电的开关 手电 LED 可以输出最大 50mA 的电流 LN1001 还集成了电池温度检测, 电池电压低电保护, 输出过流 / 过压 / 过温 / 短路等保护电路, 确保芯片和系统安全工作 用途 移动电源单芯片解决方案 单节锂离子 / 锂聚合物电池充电器 固定 5V 升压驱动器 产品特点 单按键控制 2A 充电电流 1.5A 放电电流 集成 50mA 手电应用 设备充满或拔除时 16 秒自动关机 4 段式电量指示 待机功耗低, 几乎为 0( 小于 1uA) 电池电压 3.1V 以下自动关闭输出 封装 SOP16 QFN4*4-20L (Top View) Rev.1.2 Aug.26, 2013 1 www.natlinear.com

典型应用电路 VIN C4 BAT BAT C2 LC RS LB S1 RT2 Battery Pack RT1 VIN NTC SW SENSE BATT LX VOUT VOUT+ NTC/PTC C1 BUTTON1 KEY SHUTDOWN C3 GNDA GNDD N1 VOUT- L1 L2 L3 L4 TORCH 1M D1 D2 D3 D4 D5 RL1 BAT RL2 注 :L1 为最低电量点, 也是 L2~L4 的电流参考, 必需接 LED 订购信息 LN1001 12-3 数字项目符号描述 S SOP16 封装 1 Q QFN4*4-20L 封装 R 编带正编 2 L 编带反编 3 G Green, 无卤封装注意 : 反向编带和其他封装需定制, 请联系本司销售部 Rev.1.2 Aug.26, 2013 2 www.natlinear.com

引脚配置 LN1001 SOP QFN 引脚号引脚号 引脚名 功能描述 1 17 VOUT 升压输出端口,5V 2 19 20 LX 升压电感端口 3 18 1 GNDA 模拟地 / 功率地 4 2 3 SW 充电器电感端口 5 4 5 VIN 充电器电源输入端口 6 6 SENSE 充电器电流检测端口 7 7 BATT 电池接入端 8 8 NTC 电池温度检测端口, 外接 NTC 电阻 9 9 KEY 按键输入端口, 内置上拉电阻 10 10 L1 电量指示 1 输出端口, 恒流 3mA 11 11 L2 电量指示 2 输出端口, 恒流 3mA 12 12 L3 电量指示 3 输出端口, 恒流 3mA 13 13 L4 电量指示 4 输出端口, 恒流 3mA 14 14 GNDD 数字地 15 15 Torch LED 手电输出端口, 最大 50mA 16 16 SHUTDOWN 负载通路控制端口 打印信息 封装形式 SOP16 QFN20 LN1001 1234 XXXXXX 1234 代表工艺版次和内部分类号 XXXXXX 代表生产批号 Rev.1.2 Aug.26, 2013 3 www.natlinear.com

功能框图 LN1001 LX SHUTDOWN VIN PFM IC/4 PWM OVP SW VOUT EA Σ CV REF OSC SLOPE CC SENSE BIAS Z BATT KEY Logic NTC OD L4 L3 L2 L1 Torch GNDA GNDD Rev.1.2 Aug.26, 2013 4 www.natlinear.com

绝对最大额定值 项目符号绝对最大额定值单位 输入电压 VIN -0.3-6.5 BATT 电压 VBAT -0.3-6.5 VOUT 电压 VOUT -0.3-6.5 其他端电压 VOTHERS -0.3-6.5 V LX 开关电流 ILX 5 A SW 开关电流 ISW ±2.5 A 工作温度范围 T OP -45-85 引脚焊接温度 (10 秒 ) T LEAD 300 ESD 放电能力 (HBM) V ESD 4000 V 注意 : 绝对最大额定值是指在任何条件下都不能超过的额定值 万一超过此额定值, 有可能造成产品劣化等物理性损伤 电学特性参数 测试条件 VBATT=3.6V,VOUT=5V,VIN=5V,RS=0.05Ω (Ta=25 除非特殊指定 ) 项目 符号 条件 最小值 典型值 最大值 单位 Key 端开启电压 V KEY VBATT=3.6V - - 1.2 V Key 端上拉电阻 R KEY - 500K - Ω NTC 高温关断电压 V HOT 1.57 1.67 1.77 V NTC 低温关断电压 V COLD 3.23 3.33 3.43 V 待机电流 I STANDBY - - 1 ua BOOST DC-DC 参数 输入电压 V BATT IOUT=1A 3.2-5 输出电压 V OUT IOUT=1A 4.9 5.0 5.1 V 关断电流 I OFF - 0.01 1 µa 无负载电流 I C VBATT=3.6V,VOUT=5V - 200 - μa 开关频率 FS IOUT=1A 1.25 1.5 1.75 MHz 最大占空比 D MAX VBATT=3.6V 75 - - % 功率管内阻 R VBATT=3.6V,ISW=1A - 65 100 mω 升压开关电流 I LX VBATT=4.2V 3.5 4.5 5 A 线性调整度 ΔV LINE IOUT=1A,V BATT=3.2V 到 4.5V - 0.2 - % 负载调整度 ΔV LOAD VBATT=3.6V,IOUT=10mA 到 1A - 0.22 - % 过热关断温度 T SHD VBATT=3.6V,IOUT=100mA 143 153 163 过热关断迟滞 Δ T SHD VBATT=3.6V,IOUT=100mA 20 25 30 自动关机判定电流 I SHUTDOWN VBAT=4.0V - 20 - ma 自动关机等待时间 T SHUTDOWN IOUT=0mA - 16 - S Rev.1.2 Aug.26, 2013 5 www.natlinear.com

参数 标号 条件 最小 典型 最大 单位 Charger 电学参数 输入电压 V IN 4.35 5 6 V 输入电流 I Q 待机模式 VIN<4.35V 50 60 70 µa I STB 充电结束 0.83 0.92 1.2 ma I R 反灌电流,VBATT>VIN 0 0.01 0.1 µa 电池端电流 I OFF VIN 移除 - - 0.1 ua I B 待机模式 ( 充电结束 ) 150 200 250 µa 电流检测端压差 V SENSE 3V<VBATT<4.18V 90 100 110 mv 恒流充电电流 I CHARGE VBATT<4.18V - V SENSE/RS - A 欠压限流触发电压 VIN- UVLI VIN 由高到低调节 - 4.8 - V 欠压限流峰值电流 I UVMAX 4.6V<VIN<4.8V - - 1 A 4.35V<VIN<4.6V - - 0.5 A USB 模式峰值电流 I USBMAX VIN<4.6V 出现 4 次之后 - - 0.5 A 充电截至电流 I END VBATT>4.2V 50 65 80 ma 涓流充电极限电压 V TR VBATT Rising 2.8 2.92 3 V 涓流充电迟滞电压 Δ V TR 60 80 110 mv 输出控制电压 V FLOAT 0 <TA<85, IBAT = 40mA 4.158 4.2 4.242 V 电池再充电电压 V RECHARGE VBATT falling - 4.07 - V 电池再充电迟滞电压 Δ V REG VBATT - V RECHARGE 90 130 170 mv 振荡器频率 F OSC RL=100mA 1.35 1.5 1.65 MHz 电源低电压闭锁 V UVLO VIN 由低到高调节 4.3 4.35 4.45 V 电源高电压闭锁 V INOVP VIN 由低到高调节 6.4 6.5 6.6 V 电池高电压闭锁 V BOVP 电池电压从 VIN 到低调节 4.32 4.37 4.42 V LED 电学参数电量指示电流 I LED VBAT=3.4V~4.2V 2.5 3 3.5 ma 电流匹配度 Δ I MATCH VBAT=3.6V - 5 - % 手电 LED 电流 I torch VBAT=3.2V-4.2V - - 50 ma Rev.1.2 Aug.26, 2013 6 www.natlinear.com

工作原理 LN1001 是一款集成了 DC/DC 充电管理, DC/DC 升压, 电压检测和电量显示的单芯片移动电源方案 它把原来需要 3 颗以上的芯片才能完成的功能整合在同一个芯片里 性能上, 充电电流可以设置最大 2A, 升压输出电流最大也可以达到 1.5A, 而关机功耗几乎为 0( 小于 1uA) 按键操作 : 单键控制, 关机状态下, 短按 Key( 短按时间大于 60mS 小于 2S), 开机并显示电量, 并开启升压 4 秒后关闭电量显示,L1 开始闪烁 (0.5Hz), 升压过程中 L1 将一直闪烁 期间短按 Key, 可以再次显示电 量, 时间仍为 4 秒, 升压不受影响 电量显示 : 设备被充满或者负载被移除之后, 经过 16 秒, 升压自动关闭,L1 闪烁停止, 进入关机状态 当电池电压低于 3.5V, 短按 Key 显示电量时,L1 将会爆闪 4S, 提醒电量不足 升压过程中, 当电池电压低于 3.1V, 输出将自动关闭, 以保护电池不会被过放 长按 Key( 长按时间大于 2S), 打开手电功能, 再次长按 Key 关闭手电 电池电压过低时低于 3.1V 无法打开手电和输出 但已打开的手电, 在电池电压过低时不会关闭 充电过程中, 短按操作被屏蔽, 升压模块被禁止, 但长按可以开启或关闭手电 工作模式功能短按 (60ms<Key<2S) 长按 (Key>2S) 充电模式 升压模式 升压 / / 电量显示 / / 手电 / 开启或关闭 升压开启 / 电量显示显示 4S / 手电 / 开启或关闭 LN1001 在升压或者充电过程中, 对 BATT 的电压进行监测, 并进行计算, 通过 L1-L4 显示出当 前电量, 每个 LED 代表 25% 的电量 电池的充放电曲线, 如下图 充电时, 电量显示如下表 电池电压 指示灯个数 图示 (L1L2L3L4) <3.72 L1 闪烁 3.72-3.87 L2 闪烁 3.87-4.02 L3 闪烁 >4.02 L4 闪烁 充电结束 4 个灯长亮 ( 表示长亮, 表示关闭, 代表充电闪烁, 频率 1HZ, 脉宽 0.5S) Rev.1.2 Aug.26, 2013 7 www.natlinear.com

升压时, 电量显示如下表 ( 短按显示,4 秒后熄灭 ) 电池电压指示灯个数图示 (L1L2L3L4) >3.85 4 个灯 3.85-3.71 3 个灯 3.71-3.55 2 个灯 3.55-3.43 1 个灯 3.43-3.2 闪烁告警 3.2 以下关机 ( 表示长亮, 表示关闭, 代表低压告警闪烁, 频率 4HZ) 电量显示 4 秒钟之后,L1 进行升压指示闪烁, 周期 2S, 脉宽 0.25S, 其他 LED 熄灭 以上电压参数仅作参考, 实际因为电池的不同和生产批次的不同会有电压上的差别 充电模式 : 内置的恒流恒压锂电池充电管理, 通过 PWM 控制的电流模 DC-DC 拓朴结构来实现, 充电电流由外部连接在 VBATT 和 SENSE 两端的电阻来设置, 芯片内部由一个高精度的基准来设置充电电压 当输入电压 VIN 低于 UVLO 电平 (4.35V) 时, 芯片进入 SLEEP MODE 工作, 此时芯片功耗降到 60µA 以下 当 VIN 引脚电压上升到 UVLO 电压以上时, 芯片进入充电模式, 此时 L1-L4 显示充电闪烁 当 VIN 高于 UVLO 电压但低于 4.6V 时, 输入端的峰值电流将会被限制在 500mA 以内, 当 VIN 大于 4.6V 但小于 4.8V, 输入端的峰值电流将会被限制在 1A 以内 只有当 VIN 超过 4.8V 才会进入全电流模式 如果在充电开始之前检测到 VIN>4.75V, 但充电过程中如果 VIN 出现 4 次低于 4.6V, 则判定为 USB 模式, 输入端的峰值电流将会被限制在 500mA 以内, 此时即使 VIN 升高到 4.6V 以上, 电流也不会增加, 除非重新加载 VIN( 拔除充电器之后再插上 ) 如果电池电压低于涓流充电阈值电压 (2.9V), 充电器进入涓流充电模式, 涓流充电设定为 25% 的最大充电电流 当电池电压超过涓流充电阈值, 充电器进入恒流充电模式, 此时的充电电流由内部的 100mV 基准和外部的检测电阻来决定, 计算公式如下 :I CHARGE =100mV/RS 当电池电压靠近目标值 4.2V, 芯片充电电流开始下降并进入 LDO 恒压充电模式, 当电流下降到 65mA 时停止充电,L1-L4 全亮 在电池未离开 BATT 端且电池电压下降到 4.07V 时, 芯片会自动进入 RECHARGE 状态, 重新开始充电周期 一旦进入充电模式, 升压电路便会自动停止, 此时短按操作被屏蔽, 但长按可以打开或关闭手电 升压模式 : 在关机状态下, 短按 Key 或者侦测到负载接入, 升压电路开始工作 升压电路采用 PWM 电流模和 PFM 电压模自动切换, 可在较宽负载范围内高效稳定的工作 内置一个 4.5A 的功率开关, 锂电池供电最大可以提供 1.5A 的输出电流, 且效率达到 90%( 最高可达 95%) SHUTDOWN 引脚配合外置 NMOS 管, 实现功率通路的彻底关断功能 当芯片正常工作时, SHUTDOWN 为高电平,VOUT- 作为负载地使用 在芯片关机或者工作异常状态 ( 诸如短路保护等 ), SHUTDOWN 端将下拉为低电平, 功率通路实现彻底关断 SHUTDOWN 端不使用时请保持悬空, 禁止接到 GND 或者 VBATT 端 配合 SHUTDOWN 功能使用的外置 NMOS 管, 需要甚小的导通电阻 RDSON, 以确保较高的负载效率和理想的短路保护功能 升压工作时, 如果检测到 VIN 有大于 1.6V 的电压, 则认为进入充电模式,SHUTDOWN 立即拉低, 输出通路关闭 当 VIN 移除之后, 需要重新按键才恢复升压工作 升压启动后, 如果检测到输出负载电流很小 ( 小于 20mA), 而且维持这个状态超过 16S, 芯片认为是空载状态, 自动进入待机模式, 此时静态功耗几乎为 0 温度保护 LN1001 内置温度补偿电路, 当内部温度达到 100, 最大充电电流或者最大输出电流随着温度上 Rev.1.2 Aug.26, 2013 8 www.natlinear.com

升会随之下降, 降低了芯片热击穿的可能, 提高芯片级系统的可靠性 当温度升高到 150, 芯片进入温度保护, 切断输出或停止充电 芯片还带有电池温度检测功能, 此功能通过 NTC 端来实现 VBATT 接分压电阻 RT1 和 RT2, 在 NTC 端接一个负温度系数的 10KΩ 热敏电阻 RNTC(MF103F338F),RT1 和 RT2 要根据电池的温度监测范围和热敏电阻的电阻值来确定 该引脚可以直接接到 GND, 来屏蔽该温度检测功能 应用信息 VIN C4 BAT BAT C2 LC RS LB S1 RT2 Battery Pack RT1 VIN NTC SW SENSE BATT LX VOUT VOUT+ NTC/PTC C1 BUTTON1 KEY SHUTDOWN C3 GNDA GNDD N1 VOUT- L1 L2 L3 L4 TORCH 1M D1 D2 D3 D4 D5 RL1 BAT RL2 序号 料号 型号 ( 参考值 ) 数量 1 U1 LN1001 1 2 S1 SK34 1 3 LB,LC 2.2uH 2 4 RS 根据充电电流自定,0.1Ω 1 5 RT1 根据温度范围自定,2.54K 1 6 RT2 根据温度范围自定,5.32K 1 7 C1 22uF 1 Rev.1.2 Aug.26, 2013 9 www.natlinear.com

8 C2 22uF 1 9 C3 47uF 1 10 C4 1uF 1 11 N1 MOSFET N, LN2312 1 12 D5 50mA 高亮 LED 1 13 D1~D4 LED 灯 ( 红 / 蓝 / 绿 ) 1 14 RL1 限流电阻,100Ω 1 15 RL2 限流电阻,330Ω 1 16 BUTTON1 BUTTON,K1 1 LN1001 元器件的选择 : 1. 升压电路输出电容 C3 的选择 输出电容的选择决定于输出电压纹波 在大多数场合, 要使用低 ESR 电容, 如陶瓷和聚合物电解电容 如果使用高 ESR 电容, 就需要仔细查看转换器频率补偿, 并且在输出电路端可能需要加一额外电容 2. 电感 LB LC 材质 / 值的选择 因为电感值影响输入和输出纹波电压和电流, 所以电感的选择是感性电压转换器设计的关键 等效串联电阻值低的电感, 其功率转换效率最佳 要对电感饱和电流额定值进行选择, 使其大于电路的稳态电感电流峰值 3. 升压转换器要选快速正向压降低的肖特基整流二极管, 使其功耗低并且效率高 肖特基二极管平均电流额定值应大于电路最大输出电流 4.MOSFET N 尽量选用内阻小, 开关速度快的, 使其功耗低并且效率高, 并且做好散热处理 LN2312 为 N 沟道增强型场效应管,RDSON=27mohm@VGS=3.6V, 可满足使用条件 5 温度保护分压电阻 RT1/RT2 的选择 VBATT 接分压电阻 RT1 和 RT2, 在 NTC 端接一个负温度系数的 10KΩ 热敏电阻 RNTC (MF103F338F), RT1 和 RT2 要根据电池的温度监测范围和热敏电阻的电阻值来确定 假设设定的电池温度范围为 TL~TH,( TL<TH); 负温度系数的热敏电阻 (NTC), RTL 为其在温度 TL 时的阻值,RTH 为其在温度 TH 时的阻值,RTL>RTH RT2 // RTL V _ TL VIN 在温度 TL 时,NTC 端的电压 V_TL 为 : RT1 RT2// RTL ; V _ TH 在温度 TH 时,NTC 端电压 V_TH 为 : RT2// RTH VIN RT1 RT2// RTH ; 2 V _ TL VIN V _ TH 由 3 Rev.1.2 Aug.26, 2013 10 www.natlinear.com 1 3 RTL RTH VIN RT1 3 RTL RTH RT2 3, 得 2 ( RTL RTH ), RTL 2 RTH 同理, 如果电池采用正温度系数 (PTC) 的热敏电阻, 则 RTH>RTL, 在 RT1 和 RT2 的公式中, 将 RTL 和 RTH 对调即可 从上面的推导中可以看出, 待设定的温度范围与电源电压 V IN 无关, 仅与 RT1 RT2 RTL RTH 有关 ; 其中 RTL RTH 可通过查阅相关的电池手册或通过实验测试得到 在实际应用中, 若只关注某一端的温度特性, 比如过热保护, 则 RT2 可以不用, 而只用 RT1 即可 R1 的推导也变得十分简单, 在此不再赘述 能 举例说明 : 选取 NTC 电阻 10K,RT1=2.54K,RT2=5.32K 可实现 -20 到 60 度范围的温度检测功

封装信息 LN1001 Rev.1.2 Aug.26, 2013 11 www.natlinear.com

QFN4*4-20L PACKAGE OUTLINE DIMENSIONS Rev.1.2 Aug.26, 2013 12 www.natlinear.com

Rev.1.2 Aug.26, 2013 13 www.natlinear.com LN1001