LT3651-8.2/LT3651-8.4：高性能2-Cell Li-Ion電池充電器的卓越之選

一、產(chǎn)品概述

在當今的電子設(shè)備中，電池充電器的性能對于設(shè)備的穩(wěn)定運行和電池的使用壽命至關(guān)重要。LINEAR TECHNOLOGY推出的LT3651-8.2/LT3651-8.4 2-Cell Li-Ion電池充電器，以其出色的性能和豐富的功能脫穎而出，在工業(yè)手持儀器、12V - 24V汽車及重型設(shè)備、桌面充電座、筆記本電腦等眾多領(lǐng)域有著廣泛的應用前景。

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產(chǎn)品特點

1. 寬輸入電壓范圍：支持9V到32V的輸入電壓（絕對最大40V），能適應多種不同的電源環(huán)境。
2. 高充電電流：可編程充電電流高達4A，可快速為電池充電。
3. 靈活的充電終止方式：可選擇C/10或內(nèi)置定時器終止充電。
4. 動態(tài)充電率編程與軟啟動：實現(xiàn)更智能的充電過程。
5. 精準控制：±0.5%的浮動電壓精度、±7.5%的充電電流精度和±4%的C/10檢測精度。
6. 安全保護功能：具備NTC電阻溫度監(jiān)測、自動再充電、自動預充電、壞電池檢測與自動復位等功能。
7. 高效開關(guān)架構(gòu)：采用平均電流模式、同步開關(guān)器，用戶可編程頻率。
8. 小巧封裝：采用低輪廓（0.75mm）的5mm × 6mm 36引腳QFN封裝，節(jié)省電路板空間。

二、產(chǎn)品詳細參數(shù)

絕對最大額定值

電氣特性

三、引腳功能詳解

1. NTC（引腳1）

電池溫度監(jiān)測引腳，通常連接一個10kΩ的NTC熱敏電阻（B = 3380）到地，通過監(jiān)測熱敏電阻上的電壓來調(diào)節(jié)充電過程。若不需要此功能，可將該引腳懸空。

2. ACPR（引腳2）

開集電極交流存在狀態(tài)引腳，用于指示VIN是否有效以及充電器是否開啟。通常使用上拉電阻，可承受高達VIN的電壓，最大灌電流為10mA。

3. BAT（引腳3）

電池電壓監(jiān)測引腳，通過Kelvin連接到電池，并連接一個去耦電容到地。充電功能旨在使該引腳達到最終的浮動電壓，當電池電壓下降到浮動電壓的97.5%時，自動重啟充電循環(huán)。充電結(jié)束后，該引腳的輸入偏置電流小于0.1μA，以減少電池放電。

4. SENSE（引腳4）

充電電流檢測引腳，通過連接一個檢測電阻（RSENSE）到BAT引腳來監(jiān)測充電電流。電感電流通過RSENSE流向電池，該電阻上的電壓決定了平均充電電流，最大平均充電電流對應于RSENSE上的95mV電壓。

5. BOOST（引腳5）

用于開關(guān)驅(qū)動的自舉電源軌，連接一個1μF或更大的電容到SW引腳，以實現(xiàn)高端開關(guān)晶體管的飽和。該引腳的工作范圍為0V到8.5V（相對于SW引腳）。

6. GND（引腳6、23、31、37）

接地引腳，引腳31和37必須連接在一起，引腳6和23通過引線框架連接到背面的暴露引腳37，需將暴露引腳焊接到PCB上，以實現(xiàn)良好的熱和電氣連接。

7. SW（引腳7、11 - 18、22、38）

開關(guān)輸出引腳，充電器開關(guān)的輸出端，連接一個電感到SENSE引腳。開關(guān)工作時，電感由高端開關(guān)從VIN充電，由低端開關(guān)放電到地。暴露引腳38需焊接到PCB上，以實現(xiàn)良好的熱連接。

8. NC（引腳8 - 10、19 - 21）

無連接引腳，可懸空。

9. TIMER（引腳24）

充電周期結(jié)束定時器編程引腳，通過連接一個電容到地來確定完整充電周期的結(jié)束時間。通常使用0.68μF的電容可實現(xiàn)3小時的充電周期。該定時器還可檢測壞電池故障，若電池在充電周期的八分之一時間內(nèi)未達到預充電閾值電壓，則觸發(fā)故障。將該引腳連接到地可禁用定時器終止功能，此時充電將在充電電流下降到C/10速率時終止。

10. FAULT（引腳25）

開集電極故障狀態(tài)輸出引腳，用于指示電池充電周期中的故障條件。通常使用上拉電阻，可承受高達VIN的電壓，最大灌電流為10mA。溫度故障或使用定時器終止時的壞電池故障會使該引腳拉低，無故障時為高阻抗。

11. CHRG（引腳26）

開集電極充電器狀態(tài)輸出引腳，用于指示電池充電狀態(tài)。通常使用上拉電阻，可承受高達VIN的電壓，最大灌電流為10mA。充電時該引腳拉低，充電結(jié)束后為高阻抗。若使用定時器終止功能，該引腳在充電電流下降到C/10速率之前保持低電平。溫度故障也會使該引腳拉低。

12. SHDN（引腳27）

關(guān)機引腳，可用于精確的欠壓鎖定功能。當該引腳電壓高于1.20V時，器件啟用，具有95mV的電壓滯后。關(guān)機模式下，所有充電功能禁用，VIN引腳電流降至17μA。若不需要關(guān)機功能，可將該引腳連接到VIN。

13. ILIM（引腳28）

輸入電流限制編程引腳，可設(shè)置和動態(tài)調(diào)整系統(tǒng)輸入電流限制，并可實現(xiàn)軟啟動功能。該引腳的電壓通過設(shè)置輸入電流檢測電阻（位于CLP和CLN之間）上的最大電壓來確定最大輸入電流。有效范圍為0V到1V，通常從該引腳提供50μA電流到一個接地電阻（RILIM）。若不使用RILIM，器件將默認采用最大輸入電流。

14. CLP/CLN（引腳29/引腳30）

系統(tǒng)電流限制正、負輸入端，通過連接檢測電阻來監(jiān)測系統(tǒng)電流。LT3651-8.2/LT3651-8.4會調(diào)整最大充電電流，以維持編程的最大系統(tǒng)電流。將CLP、CLN和VIN短接可禁用該功能。

15. VIN（引腳32、33、34）

充電器輸入電源引腳，為器件提供電源，電池的充電電流流入這些引腳。充電結(jié)束后，VIN引腳電流小于100μA，這些引腳需連接在一起。

16. RNG/SS（引腳35）

充電電流范圍和軟啟動引腳，可設(shè)置和動態(tài)調(diào)整最大充電電流，并實現(xiàn)軟啟動功能。該引腳的電壓通過設(shè)置充電電流檢測電阻（RSENSE）上的最大電壓來確定最大充電電流。有效范圍為0V到1V，通常從該引腳提供50μA電流到一個接地電阻（RRNG/SS）。若不使用RRNG/SS，器件將默認采用最大充電電流。故障條件下，該引腳會被拉低，使用軟啟動電容（CRNG/SS）可實現(xiàn)故障后的優(yōu)雅恢復。

17. RT（引腳36）

開關(guān)振蕩器定時器設(shè)置引腳，通過連接一個電阻到地來設(shè)置開關(guān)振蕩器頻率。通常使用54.9kΩ的電阻可實現(xiàn)1MHz的頻率。

四、工作原理

整體架構(gòu)

LT3651-8.2/LT3651-8.4采用恒定頻率、平均電流模式同步降壓開關(guān)器架構(gòu)，實現(xiàn)高效充電。充電器包含必要的電路，可對恒流、恒壓（CC/CV）充電進行編程和控制，支持電流終止和定時器終止兩種方式。

充電過程

1. 預充電階段：若電池電壓較低，充電電流自動降低至編程電流的15%，以提供安全的電池預充電。當電池電壓超過預充電閾值時，IC自動將最大充電電流提高到編程的完整值。
2. 恒流充電階段：在電池電壓低于浮動電壓時，充電器以恒定電流對電池充電，最大充電電流由外部檢測電阻（RSENSE）和RNG/SS引腳設(shè)置。
3. 恒壓充電階段：當電池電壓接近浮動電壓時，充電器進入恒壓模式，充電電流逐漸降低。當充電電流下降到編程最大充電電流的十分之一（C/10）時，可選擇終止充電。
4. 充電終止：充電終止方式有兩種。一是C/10終止，即充電電流下降到C/10速率時終止充電；二是定時器終止，通過設(shè)置內(nèi)部可編程充電周期控制定時器，通常為3小時后終止充電。使用定時器終止時，即使充電電流低于C/10，充電器仍會繼續(xù)為電池“補電”，直到定時器時間結(jié)束。若電池在充電周期結(jié)束時未達到滿充電浮動電壓的97.5%，則認為充電不成功，將啟動另一個完整的定時器周期。
5. 自動重啟：充電結(jié)束后，若電池電壓下降到滿充電浮動電壓的97.5%以下，充電器將自動重啟充電循環(huán)。同時，在檢測到壞電池故障后，更換電池后也會自動重啟新的充電周期。
6. 溫度監(jiān)測與保護：通過NTC熱敏電阻監(jiān)測電池溫度，若電池溫度超出0°C到40°C的安全充電范圍，充電周期暫停并發(fā)出故障信號。此外，若芯片結(jié)溫過高，會自動降低充電電流，以減少片上功耗，保護器件安全。

控制邏輯

采用平均電流模式控制回路架構(gòu)來控制平均充電電流。通過BAT引腳檢測充電器輸出電壓，該電壓與內(nèi)部浮動電壓參考值的差值由電壓誤差放大器（V - EA）積分，其輸出電壓ITH對應于電感檢測電阻RSENSE上期望的平均電壓。ITH電壓被除以10，并為電流誤差放大器（C - EA）的輸入提供電壓偏移。C - EA對該偏移電壓與電流檢測電阻電壓的差值進行積分，得到的電壓VC與內(nèi)部生成的斜坡進行比較，從而生成控制充電器開關(guān)的占空比。

五、應用設(shè)計要點

1. 振蕩器頻率設(shè)置

通過連接一個精密電阻到地來設(shè)置開關(guān)振蕩器頻率fOSC，頻率范圍通常為200kHz到1MHz?？筛鶕?jù)功率需求和系統(tǒng)要求調(diào)整頻率，例如在高電壓下工作時，可選擇較低的頻率以降低功率損耗。電阻值 (R{T}) 可根據(jù)公式 (R{T}=frac{54.9}{f{0 S C}(MHz)}(k Omega)) 計算，若要實現(xiàn)1MHz的頻率，可設(shè)置 (R{T}) 為54.9kΩ。

2. VIN輸入電源

LT3651-8.2/LT3651-8.4直接從VIN引腳獲取電源，為了減少VIN上的電壓毛刺，需要使用高質(zhì)量、低ESR的去耦電容（CVIN）。電容大小可根據(jù)輸入紋波電壓、最大充電電流和振蕩器頻率計算，公式為 (C{IN(BULK)} frac{I{C H G(M A X)} cdot V{B A T}}{f{O S C}(M H z) cdot Delta V{I N} cdot V{I N}}(mu F)) ，其中 (Delta V{IN}) 為輸入紋波，可先取0.1V作為參考。此外，電容的紋波電流額定值也需滿足要求，RMS紋波電流ICVIN(RMS)近似為 (C V I N(R M S) approx I{C H G(M A X)} cdotleft(frac{V{B A I}}{V{I N}}right) cdot sqrt{frac{V{I N}}{V{B A T}}}-1) ，在 (V{IN }=2 cdot V{BAT }) 時達到最大值 (ICVIN(RMS)=I_{CHG(MAX)} / 2) 。

3. 升壓電源

BOOST引腳的自舉電源軌用于驅(qū)動內(nèi)部開關(guān)，實現(xiàn)高端開關(guān)晶體管的飽和。通常連接一個1μF的電容到SW引腳，BOOST引腳的工作范圍為2V到8.5V（相對于SW引腳）。升壓電容通常通過一個二極管從電池或外部電源充電，二極管的平均電流額定值應大于0.1A，反向電壓額定值應大于 (V{IN(MAX) }) 。若有大于輸入電壓的外部電源（ (V{BOOST }-V_{IN }>2 ~V) ），可替代自舉電容和二極管。

4. VIN、VBOOST啟動要求

充電器在檢測到電池電壓低于自動重啟浮動電壓且器件啟用時開始充電。當VIN低于10.5V且BOOST電容未充電時，高端開關(guān)可能無法正常啟動。為了便于啟動，當BOOST電壓較低時，器件會啟用開關(guān)，使BOOST電容先充電，從而使高端開關(guān)能夠飽和并高效工作。設(shè)計時需注意，開關(guān)啟動和輸入電流增加時，由于電源輸入阻抗和輸入電容的影響，輸入電壓可能會下降，導致低于內(nèi)部VIN欠壓鎖定（UVLO）開啟電壓，影響正常啟動。因此，在低VIN時，需要在RNG/SS引腳添加軟啟動電容，并將SHDN引腳的UVLO設(shè)置為9V。

5. BAT輸出去耦

建議在充電器輸出端連接一個去耦電容（CBAT），若電池可從充電器輸出端斷開，則該電容是必需的。電容值與最小工作VIN電壓有關(guān)，可根據(jù)公式 (C{BAT} approx 20 mu F+left(frac{350 mu F}{V{IN(MIN)}}right)) 計算，其電壓額定值必須滿足或超過電池浮動電壓。

6. RSENSE：充電電流編程

充電器可配置為最大平均充電電流高達4A。在最大充電電流下，電感檢測電阻RSENSE上的電壓為95mV，因此可根據(jù)公式 (R{SENSE}=frac{0.095 V}{I{CHG(MAX)}}) 計算RSENSE的值。例如，對于4A的充電器，RSENSE為24mΩ。

7. 電感選擇

電感值的選擇主要考慮開關(guān)過程中產(chǎn)生的紋波電流，通常將紋波電流 (Delta I{MAX}) 設(shè)置為最大充電電流的25%到35%，以在紋波損耗和電感尺寸之間取得良好的平衡。電感值可根據(jù)公式 (L=frac{V{B A T}+V{F}}{Delta I{M A X} cdot f{O S C}(M H z)} cdotleft(1-frac{V{B A T}+V{F}}{V{I N}+V{F}}right)(mu H)) 計算，其中 (V{F}) 為同步開關(guān)的正向電壓（4A時約為0.14V）。電感的飽和電流必須等于或超過電感中的最大峰值電流，峰值電流為 (I{CHG(MAX)}+Delta I{CHG(MAX)} / 2) 。同時，電感的RMS電流額定值應大于 (I_{CHG(MAX)}) ，還需滿足最大伏秒積要求。

8. 系統(tǒng)輸入電流限制

LT3651-8.2/LT3651-8.4具有PowerPath?控制功能，可根據(jù)系統(tǒng)負載調(diào)整充電器輸出電流，以維持恒定的輸入電源負載。通過在輸入電源和系統(tǒng)及充電器負載之間連接一個電阻 (R_{CL}) ，并從ILIM引腳提供50μA電流到一個接地電阻