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(dāng)今的電子設(shè)備中，電池充電器的性能對(duì)于設(shè)備的穩(wěn)定運(yùn)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(yīng)用前景。

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產(chǎn)品特點(diǎn)

1. 寬輸入電壓范圍：支持9V到32V的輸入電壓（絕對(duì)最大40V），能適應(yīng)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(dá)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(shí)器終止充電。
4. 動(dòng)態(tài)充電率編程與軟啟動(dòng)：實(shí)現(xiàn)更智能的充電過程。
5. 精準(zhǔn)控制：±0.5%的浮動(dòng)電壓精度、±7.5%的充電電流精度和±4%的C/10檢測(cè)精度。
6. 安全保護(hù)功能：具備NTC電阻溫度監(jiān)測(cè)、自動(dòng)再充電、自動(dòng)預(yù)充電、壞電池檢測(cè)與自動(dòng)復(fù)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(xì)參數(shù)

絕對(duì)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(cè)引腳，通常連接一個(gè)10kΩ的NTC熱敏電阻（B = 3380）到地，通過監(jiān)測(cè)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(dá)VIN的電壓，最大灌電流為10mA。

3. BAT（引腳3）

電池電壓監(jiān)測(cè)引腳，通過Kelvin連接到電池，并連接一個(gè)去耦電容到地。充電功能旨在使該引腳達(dá)到最終的浮動(dòng)電壓，當(dāng)電池電壓下降到浮動(dòng)電壓的97.5%時(shí)，自動(dòng)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(cè)引腳，通過連接一個(gè)檢測(cè)電阻（RSENSE）到BAT引腳來監(jiān)測(cè)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(duì)應(yīng)于RSENSE上的95mV電壓。

5. BOOST（引腳5）

用于開關(guān)驅(qū)動(dòng)的自舉電源軌，連接一個(gè)1μF或更大的電容到SW引腳，以實(shí)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(duì)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(shí)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(gè)電感到SENSE引腳。開關(guān)工作時(shí)，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(shí)現(xiàn)良好的熱連接。

8. NC（引腳8 - 10、19 - 21）

無(wú)連接引腳，可懸空。

9. TIMER（引腳24）

充電周期結(jié)束定時(shí)器編程引腳，通過連接一個(gè)電容到地來確定完整充電周期的結(jié)束時(shí)間。通常使用0.68μF的電容可實(shí)現(xiàn)3小時(shí)的充電周期。該定時(shí)器還可檢測(cè)壞電池故障，若電池在充電周期的八分之一時(shí)間內(nèi)未達(dá)到預(yù)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(shí)器終止功能，此時(shí)充電將在充電電流下降到C/10速率時(shí)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(dá)VIN的電壓，最大灌電流為10mA。溫度故障或使用定時(shí)器終止時(shí)的壞電池故障會(huì)使該引腳拉低，無(wú)故障時(shí)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(dá)VIN的電壓，最大灌電流為10mA。充電時(shí)該引腳拉低，充電結(jié)束后為高阻抗。若使用定時(shí)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(huì)使該引腳拉低。

12. SHDN（引腳27）

關(guān)機(jī)引腳，可用于精確的欠壓鎖定功能。當(dāng)該引腳電壓高于1.20V時(shí)，器件啟用，具有95mV的電壓滯后。關(guān)機(jī)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(jī)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(dòng)態(tài)調(diào)整系統(tǒng)輸入電流限制，并可實(shí)現(xiàn)軟啟動(dòng)功能。該引腳的電壓通過設(shè)置輸入電流檢測(cè)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(gè)接地電阻（RILIM）。若不使用RILIM，器件將默認(rèn)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(fù)輸入端，通過連接檢測(cè)電阻來監(jiān)測(cè)系統(tǒng)電流。LT3651-8.2/LT3651-8.4會(huì)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(dòng)引腳，可設(shè)置和動(dòng)態(tài)調(diào)整最大充電電流，并實(shí)現(xiàn)軟啟動(dòng)功能。該引腳的電壓通過設(shè)置充電電流檢測(cè)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(gè)接地電阻（RRNG/SS）。若不使用RRNG/SS，器件將默認(rèn)采用最大充電電流。故障條件下，該引腳會(huì)被拉低，使用軟啟動(dòng)電容（CRNG/SS）可實(shí)現(xiàn)故障后的優(yōu)雅恢復(fù)。

17. RT（引腳36）

開關(guān)振蕩器定時(shí)器設(shè)置引腳，通過連接一個(gè)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(shí)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(shí)現(xiàn)高效充電。充電器包含必要的電路，可對(duì)恒流、恒壓（CC/CV）充電進(jìn)行編程和控制，支持電流終止和定時(shí)器終止兩種方式。

充電過程

1. 預(yù)充電階段：若電池電壓較低，充電電流自動(dòng)降低至編程電流的15%，以提供安全的電池預(yù)充電。當(dāng)電池電壓超過預(yù)充電閾值時(shí)，IC自動(dòng)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(dòng)電壓時(shí)，充電器以恒定電流對(duì)電池充電，最大充電電流由外部檢測(cè)電阻（RSENSE）和RNG/SS引腳設(shè)置。
3. 恒壓充電階段：當(dāng)電池電壓接近浮動(dòng)電壓時(shí)，充電器進(jìn)入恒壓模式，充電電流逐漸降低。當(dāng)充電電流下降到編程最大充電電流的十分之一（C/10）時(shí)，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(shí)終止充電；二是定時(shí)器終止，通過設(shè)置內(nèi)部可編程充電周期控制定時(shí)器，通常為3小時(shí)后終止充電。使用定時(shí)器終止時(shí)，即使充電電流低于C/10，充電器仍會(huì)繼續(xù)為電池“補(bǔ)電”，直到定時(shí)器時(shí)間結(jié)束。若電池在充電周期結(jié)束時(shí)未達(dá)到滿充電浮動(dòng)電壓的97.5%，則認(rèn)為充電不成功，將啟動(dòng)另一個(gè)完整的定時(shí)器周期。
5. 自動(dòng)重啟：充電結(jié)束后，若電池電壓下降到滿充電浮動(dòng)電壓的97.5%以下，充電器將自動(dòng)重啟充電循環(huán)。同時(shí)，在檢測(cè)到壞電池故障后，更換電池后也會(huì)自動(dòng)重啟新的充電周期。
6. 溫度監(jiān)測(cè)與保護(hù)：通過NTC熱敏電阻監(jiān)測(cè)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(hào)。此外，若芯片結(jié)溫過高，會(huì)自動(dòng)降低充電電流，以減少片上功耗，保護(hù)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(cè)充電器輸出電壓，該電壓與內(nèi)部浮動(dòng)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(duì)應(yīng)于電感檢測(cè)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(duì)該偏移電壓與電流檢測(cè)電阻電壓的差值進(jìn)行積分，得到的電壓VC與內(nèi)部生成的斜坡進(jìn)行比較，從而生成控制充電器開關(guān)的占空比。

五、應(yīng)用設(shè)計(jì)要點(diǎn)

1. 振蕩器頻率設(shè)置

通過連接一個(gè)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。可根據(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(shí)，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(jì)算，若要實(shí)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(jì)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(shí)達(dá)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(dòng)內(nèi)部開關(guān)，實(shí)現(xiàn)高端開關(guān)晶體管的飽和。通常連接一個(gè)1μF的電容到SW引腳，BOOST引腳的工作范圍為2V到8.5V（相對(duì)于SW引腳）。升壓電容通常通過一個(gè)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(yīng)大于0.1A，反向電壓額定值應(yīng)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(dòng)要求

充電器在檢測(cè)到電池電壓低于自動(dòng)重啟浮動(dòng)電壓且器件啟用時(shí)開始充電。當(dāng)VIN低于10.5V且BOOST電容未充電時(shí)，高端開關(guān)可能無(wú)法正常啟動(dòng)。為了便于啟動(dòng)，當(dāng)BOOST電壓較低時(shí)，器件會(huì)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(jì)時(shí)需注意，開關(guān)啟動(dòng)和輸入電流增加時(shí)，由于電源輸入阻抗和輸入電容的影響，輸入電壓可能會(huì)下降，導(dǎo)致低于內(nèi)部VIN欠壓鎖定（UVLO）開啟電壓，影響正常啟動(dòng)。因此，在低VIN時(shí)，需要在RNG/SS引腳添加軟啟動(dòng)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(gè)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(jì)算，其電壓額定值必須滿足或超過電池浮動(dòng)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(dá)4A。在最大充電電流下，電感檢測(cè)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(jì)算RSENSE的值。例如，對(duì)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(jì)算，其中 (V{F}) 為同步開關(guān)的正向電壓（4A時(shí)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(shí)，電感的RMS電流額定值應(yīng)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(fù)載調(diào)整充電器輸出電流，以維持恒定的輸入電源負(fù)載。通過在輸入電源和系統(tǒng)及充電器負(fù)載之間連接一個(gè)電阻 (R_{CL}) ，并從ILIM引腳提供50μA電流到一個(gè)接地電阻