探索LTC4007：高效鋰離子電池充電器的卓越之選

在電子設(shè)備日益普及的今天，電池充電器的性能至關(guān)重要。LTC4007作為一款高性能的鋰離子電池充電器，為我們帶來許多創(chuàng)新特性和出色性能。

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芯片特性

1. 應(yīng)用范圍廣：適用于3 - 4節(jié)鋰離子電池的充電控制，可應(yīng)用于筆記本電腦、便攜式儀器、電池備份系統(tǒng)等，使用場(chǎng)景豐富。
2. 高效充電
   • 高轉(zhuǎn)換效率：輸出電流超過4A時(shí)，轉(zhuǎn)換效率最高可達(dá)96%，有效減少能量損耗，提高充電效率。
   • 高精度電壓控制：充電電壓精度高達(dá)±0.8%，確保電池安全穩(wěn)定充電。
   • 可編程充電電流：充電電流可編程，且精度為±4%，可以滿足不同設(shè)備的充電需求。
3. 完善的保護(hù)機(jī)制
   • 內(nèi)置充電終止功能：自動(dòng)終止充電過程，避免過充，延長電池使用壽命。
   • AC適配器電流限制：能夠根據(jù)適配器的電流輸出能力，自動(dòng)調(diào)整充電電流，避免適配器過載。
   • 熱敏電阻輸入：實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電池溫度，在溫度異常時(shí)暫停充電，保障充電安全。
4. 豐富的指示輸出：提供充電、C/10電流檢測(cè)、AC適配器存在、低電池、輸入電流限制和故障等多種指示輸出，方便用戶了解充電狀態(tài)。
5. 寬輸入電壓范圍：支持6V - 28V的寬輸入電壓范圍，適應(yīng)不同電源適配器，增強(qiáng)了充電器的通用性。

工作原理

充電流程與控制

LTC4007是一款同步電流模式PWM降壓（buck）開關(guān)型電池充電器控制器。通過PROG引腳到地的編程電阻（ (R{PROG}) ）和CSP與BAT引腳之間的感測(cè)電阻（ (R{SENSE}) ）的組合來編程充電電流。利用3C4C和CHEM引腳將最終浮充電壓編程為四個(gè)值（12.3V、12.6V、16.4V、16.8V）之一，最大精度為±1%。

當(dāng)DCIN引腳的電位高于BAT引腳的電壓（以及欠壓鎖定電壓UVLO）且SHDN引腳為低電平時(shí)，充電開始，CHG引腳被置為低電平。如果電池電壓低于每節(jié)2.5V（若CHEM為低電平則為2.44V），LOBAT引腳將變?yōu)榈碗娖剑捎糜趯⒊潆婋娏鹘档偷捷^低值，通常為滿量程的10%。若電池電壓在總充電時(shí)間的25%內(nèi)一直低于2.5V，充電序列將立即終止，F(xiàn)AULT引腳將被置為低電平。

輸入FET的作用

輸入FET電路具有兩個(gè)主要功能。一是當(dāng)輸入電壓高于CLN引腳電壓時(shí)啟動(dòng)充電器，并在ACP引腳提供AC適配器存在的邏輯指示；二是控制輸入FET的柵極，在充電時(shí)保持較低的正向電壓降，并防止反向電流通過輸入FET。

如果輸入電壓小于 (V{CLN}) ，則必須比 (V{CLN}) 高至少170mV才能激活充電器。此時(shí)ACP引腳被釋放并通過外部負(fù)載上拉，以指示適配器已連接。

電池充電器控制器

采用恒定關(guān)斷時(shí)間、電流模式降壓架構(gòu)。在正常工作期間，每個(gè)周期當(dāng)振蕩器設(shè)置SR鎖存器時(shí)，頂部MOSFET導(dǎo)通；當(dāng)主電流比較器ICMP重置SR鎖存器時(shí)，頂部MOSFET關(guān)斷。頂部MOSFET關(guān)斷期間，底部MOSFET導(dǎo)通，直到電感電流觸發(fā)電流比較器IREV或下一個(gè)周期開始。

振蕩器使用公式 [t{OFF }=frac{V{DCIN }-V{BAT }}{V{DCIN } cdot f_{OSC }}]設(shè)置底部MOSFET的導(dǎo)通時(shí)間，從而在較寬的輸入/輸出電壓范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)近乎恒定的開關(guān)頻率。

PWM看門狗定時(shí)器

設(shè)有看門狗定時(shí)器來監(jiān)測(cè)BGATE和TGATE引腳的活動(dòng)。如果TGATE停止切換超過40μs，看門狗將啟動(dòng)并關(guān)斷頂部MOSFET約400ns。這樣可以防止在降壓模式下出現(xiàn)非常低的頻率操作，避免使用陶瓷輸入和輸出電容時(shí)產(chǎn)生可聽噪聲。

熱敏電阻檢測(cè)

熱敏電阻檢測(cè)電路通過外部電阻和電容實(shí)現(xiàn)采樣和保持功能。內(nèi)部時(shí)鐘（其頻率由連接到 (R_{T}) 的定時(shí)電阻決定）控制開關(guān)S1閉合以對(duì)熱敏電阻進(jìn)行采樣。當(dāng)采樣到的NTC引腳電壓在由電阻分壓器提供給比較器的限制范圍內(nèi)時(shí)，充電繼續(xù)；若超出范圍，則充電器停止工作，F(xiàn)AULT引腳置低，定時(shí)器暫停，直到NTC引腳電壓恢復(fù)正常。

應(yīng)用設(shè)計(jì)要點(diǎn)

電池檢測(cè)與充電電流編程

1. 電池檢測(cè)：在充電器運(yùn)行時(shí)連接電池可能會(huì)導(dǎo)致定時(shí)器狀態(tài)未知，充電器可能會(huì)在短時(shí)間內(nèi)向電池提供大的浪涌電流。因此，可使用特定電路在電池未連接時(shí)使充電器關(guān)閉并重置定時(shí)器。
2. 充電電流編程：基本公式為 [CHARGE(MAX) = frac{V{REF} cdot 3.01 k Omega / R{PROG } - 0.035 V}{R{SENSE }}]，其中 (V{REF} = 1.19 V)?？梢酝ㄟ^選擇合適的 (R{SENSE}) 和 (R{PROG}) 來編程充電電流。也可以通過脈沖寬度調(diào)制 (R{PROG}) 來實(shí)現(xiàn)充電電流的編程，此時(shí)需要適當(dāng)增加 (C{PROG}) 和ITH引腳的補(bǔ)償電容以提高穩(wěn)定性。

保持C/10精度與充電器電壓編程

1. 保持C/10精度：當(dāng) (R{PROG}) 為26.7k時(shí)，驅(qū)動(dòng)FLAG引腳的C/10比較器閾值約為 (V{PROG } = 400 mV) 可正常工作。若 (R_{PROG}) 值不同，可能無法準(zhǔn)確指示10%的充電電流。在此情況下，可調(diào)整連接到CSP和BAT的輸入電阻，以獲得所需的最大編程電流和正確的FLAG觸發(fā)點(diǎn)。
2. 充電器電壓編程：使用CHEM和C3C4引腳對(duì)充電器的最終輸出電壓進(jìn)行編程。CHEM引腳可選擇鋰離子電池化學(xué)性質(zhì)為每節(jié)4.1V（低電平）或4.2V（高電平），C3C4引腳可選擇3節(jié)串聯(lián)電池（低電平）或4節(jié)串聯(lián)電池（高電平）。

定時(shí)器電阻設(shè)置與軟啟動(dòng)

1. 定時(shí)器電阻設(shè)置：充電器終止定時(shí)器的設(shè)計(jì)范圍為1 - 3小時(shí)，不確定度為±15%。通過電阻 (R{RT}) 進(jìn)行編程，公式為 [t{TIMER } = 10 cdot 2^{27} cdot R{RT} cdot 17.5 pF (seconds)]。需要注意的是，應(yīng)盡量減小 (R{T}) 引腳的寄生電容，連接 (R{T}) 到 (R{RT}) 的走線應(yīng)盡可能短。
2. 軟啟動(dòng)：通過ITH引腳上的0.12μF電容實(shí)現(xiàn)軟啟動(dòng)。啟動(dòng)時(shí)，ITH引腳電壓迅速上升到0.5V，然后由內(nèi)部40μA上拉電流和外部電容決定上升速率。當(dāng)ITH電壓達(dá)到0.8V時(shí)，電池充電電流開始上升，當(dāng)ITH達(dá)到2V時(shí)達(dá)到滿電流。如果需要更長的輸入啟動(dòng)時(shí)間，可將電容增加到1μF。

電容和電感的選擇

1. 輸入和輸出電容
   • 輸入電容（C2）應(yīng)具有足夠的紋波電流額定值，以吸收轉(zhuǎn)換器中的所有輸入開關(guān)紋波電流。實(shí)際電容值不是關(guān)鍵因素，但在使用固體鉭電容時(shí)需謹(jǐn)慎，因?yàn)槠湓诔惺芨邌?dòng)浪涌電流時(shí)可能會(huì)出現(xiàn)故障。
   • 輸出電容（C3）用于吸收輸出開關(guān)電流紋波，其RMS電流可根據(jù)公式 [RMS = frac{0.29left(V{BAT}right)left(1 - frac{V{BAT}}{V_{DCIN}}right)}{(L 1)(f)}] 計(jì)算。為減少電池引線中的紋波電流，可添加磁珠或電感來增加電池在開關(guān)頻率下的阻抗。
2. 電感選擇：較高的工作頻率允許使用較小的電感和電容值，但會(huì)增加MOSFET的柵極電荷損耗，從而降低效率。電感紋波電流 (Delta I{L}) 與頻率成反比，與輸入電壓成正比。一般建議設(shè)置 (Delta I{L} = 0.4(I{MAX})) ，且不得超過0.6( (I{MAX}) )。在實(shí)際應(yīng)用中，10μH是推薦的最低電感值。

MOSFET、二極管選擇與IC功耗計(jì)算

1. 充電器開關(guān)功率MOSFET和二極管選擇：需要選擇兩個(gè)外部功率MOSFET，頂部（主）開關(guān)使用P溝道MOSFET，底部（同步）開關(guān)使用N溝道MOSFET。應(yīng)選擇邏輯電平閾值的MOSFET，并注意其 (BVDSS) 規(guī)格。同時(shí)，需根據(jù)“導(dǎo)通”電阻 (R{DS(ON)}) 、總柵極電容QG、反向傳輸電容 (C{RSS}) 、輸入電壓和最大輸出電流等因素進(jìn)行選擇。
2. 計(jì)算IC功耗：LTC4007的功耗取決于頂部和底部MOSFET的柵極電荷（分別為QG1和QG2），計(jì)算公式為 [P D = V{D C I N} cdotleft(f{O S C}(QG1 + QG2) + I_{O}right)] 。

適配器限制與輸入電流限制設(shè)置

1. 適配器限制：LTC4007具有自動(dòng)調(diào)整充電電流的功能，以避免對(duì)墻上適配器造成過載。通過感測(cè)適配器的總輸出電流，當(dāng)超過預(yù)設(shè)的適配器電流限制時(shí)，自動(dòng)降低充電電流。放大器CL1感測(cè)CLP和CLN引腳之間 (R{CL}) 上的電壓，當(dāng)該電壓超過100mV時(shí)，放大器將覆蓋編程的充電電流，將適配器電流限制為100mV/ (R{CL})。
2. 設(shè)置輸入電流限制：需要知道墻式適配器的最小電流額定值，減去7%的輸入電流限制公差后，使用該電流確定電阻值，公式為 [R{CL} = 100 mV / I{LIM}] ，其中 (I_{LIM}) 為調(diào)整后的電流值。

熱敏電阻網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)與功能禁用

1. 設(shè)計(jì)熱敏電阻網(wǎng)絡(luò)：可使用簡單的電壓分壓器網(wǎng)絡(luò)，但由于內(nèi)部的高低比較器閾值固定，該網(wǎng)絡(luò)只能使用特定的熱敏電阻（高/低電阻比為1:7）。若需要使用其他類型的熱敏電阻或設(shè)置不同的高低溫度限制，可使用更通用的網(wǎng)絡(luò)，并根據(jù)公式計(jì)算所需的電阻值。
2. 禁用熱敏電阻功能：若不需要熱敏電阻功能，可在DCIN和NTC之間連接一個(gè)電阻來禁用它。電阻的大小應(yīng)能在DCIN施加最小電壓且NTC為10V時(shí)提供至少10μA的電流，且不超過30μA。

電池調(diào)理與PCB布局

1. 調(diào)理耗盡電池：對(duì)于電壓低于每節(jié)2.5V的嚴(yán)重耗盡電池，應(yīng)使用涓流充電進(jìn)行預(yù)處理，以防止損壞電池。LTC4007可自動(dòng)對(duì)耗盡電池進(jìn)行涓流充電，當(dāng)電池電壓低于每節(jié)2.5V（若CHEM為低電平則為2.44V）時(shí)，通過特定電路將充電電流設(shè)置為約300mA；當(dāng)電池電壓高于2.5V時(shí)，充電電流變?yōu)?A。
2. PCB布局考慮：為實(shí)現(xiàn)最大效率，應(yīng)盡量減小開關(guān)節(jié)點(diǎn)的上升和下降時(shí)間。合理布局與IC相連的組件至關(guān)重要，例如輸入電容應(yīng)盡可能靠近開關(guān)FET的電源和接地連接，控制IC應(yīng)靠近開關(guān)FET的柵極端子等。同時(shí)，要注意減小RT、CSP和BAT引腳的寄生電容，連接這些引腳到各自電阻的走線應(yīng)盡可能短。

總結(jié)

LTC4007以其卓越特性、創(chuàng)新工作原理和廣泛應(yīng)用場(chǎng)景，成為電子工程師設(shè)計(jì)鋰離子電池充電器的理想選擇。在應(yīng)用設(shè)計(jì)過程中，我們需要充分考慮各個(gè)方面的要點(diǎn)，從電池檢測(cè)到充電電流編程，從電容電感選擇到熱敏電阻網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)，每一個(gè)環(huán)節(jié)都關(guān)系到充電器的性能和穩(wěn)定性。