單芯片USB鋰離子/聚合物電池充電器解決方案

單芯片USB鋰離子/聚合物電池充電器解決方案

目前市場(chǎng)上相當(dāng)多的超薄便攜式應(yīng)用采用單節(jié)鋰離子/聚合物電池，它們要求一個(gè)全功能的、可靠的電池充電器，它能夠提供很好的功能、非常小的體積、非常好的性?xún)r(jià)比、以及靈活性。AAT3681A可滿足以上所有要求，而且只需要一個(gè)外部元件。
　　
　　AAT3681A的封裝尺寸非常小，只有2.0×2.1mm，這使得它非常適合便攜式和超便攜式應(yīng)用。這一器件是即插即用型充電器設(shè)計(jì)師能夠得到的最理想器件，它可以幫助設(shè)計(jì)師節(jié)省設(shè)計(jì)和PCB布板時(shí)間，也有助于將產(chǎn)品快速推向市場(chǎng)。
　　
　　AnalogicTech可提供專(zhuān)為便攜式和手持式電池供電應(yīng)用設(shè)計(jì)的大量電源轉(zhuǎn)換解決方案。一個(gè)成功設(shè)計(jì)的最重要特征之一是，器件與目標(biāo)應(yīng)用之間的匹配是非常完美的。
　　
　　就AAT3681A來(lái)說(shuō)，現(xiàn)代便攜式應(yīng)用的功能正在以一個(gè)令人瞠目結(jié)舌的速度擴(kuò)展，所有類(lèi)型的新功能正被添加進(jìn)去以滿足市場(chǎng)的要求。因此，提供這一器件的目的是把單節(jié)鋰離子電池充電器所需的所有功能全部集成在一起，以及最大程度地減小電路設(shè)計(jì)師的設(shè)計(jì)工作量?，F(xiàn)在他們可以把精力更多地集中在充電器設(shè)計(jì)的主要目標(biāo)上，而不是電池充電器設(shè)計(jì)的非常深入的細(xì)節(jié)上。
　　
　　AAT3681A Battery Manager是一個(gè)高度集成的單節(jié)鋰離子/聚合物電池充電器IC，設(shè)計(jì)用于從一個(gè)DC電源或USB口進(jìn)行充電，輸入電壓可高達(dá)7.5V。它只需要一個(gè)外部元件就能實(shí)現(xiàn)全部的功能。AAT3681A可精確地為4.2V(或4.375V)鋰離子/聚合物電池組調(diào)節(jié)電池充電電壓和電流。
　　
　　當(dāng)從AC適配器或USB口充電時(shí)，高達(dá)300mA的電池充電電流可通過(guò)一個(gè)外部電阻進(jìn)行設(shè)置。電池充電狀態(tài)被不間斷地監(jiān)測(cè)，一旦錯(cuò)誤情況(如過(guò)壓、短路或過(guò)熱)發(fā)生，該器件將自動(dòng)關(guān)斷，從而保護(hù)充電設(shè)備、控制系統(tǒng)和處于充電狀態(tài)的電池。AAT3681A提供一個(gè)狀態(tài)監(jiān)測(cè)輸出腳，它通過(guò)直接驅(qū)動(dòng)一個(gè)外部LED來(lái)指示電池充電狀態(tài)。
　　
　　AAT3681A采用節(jié)省空間的8腳無(wú)鉛耐熱SC70JW封裝，占板面積只有2.0×2.1mm，工作溫度范圍為-40℃到+85℃。
　　
　　最近發(fā)布的AAT3681A是一個(gè)單節(jié)電池充電器，它適合很多的應(yīng)用，包括：1)藍(lán)牙耳機(jī)；2)DECT耳機(jī)；3)數(shù)碼相機(jī)；4)MP3便攜式音樂(lè)播放機(jī)、PMP；5)腕表；6)其它鋰離子/聚合物電池供電設(shè)備。
　　
　　盡管該器件的設(shè)計(jì)目的是為了讓充電器的設(shè)計(jì)變得非?？焖?、簡(jiǎn)單和容易，但它集成了很多特性來(lái)幫助優(yōu)化電池充電性能和PCB布板面積。下面是這些特性和功能的一部分：1)USB或AC適配器系統(tǒng)電池充電器；2)15mA到300mA的可編程充電電流；3)4.0V到7.5V的輸入電壓范圍；4)與內(nèi)部充電器件的高度集成；5)反向阻塞二極管；6)自動(dòng)電流感應(yīng)；7)自動(dòng)再充定序；8)充滿電自動(dòng)關(guān)斷/睡眠模式/充電終結(jié)；9)關(guān)機(jī)電流小于1uA；10)電池預(yù)充、過(guò)壓和緊急過(guò)熱保護(hù)狀態(tài)下的自動(dòng)涓流充電；11)上電復(fù)位和軟啟動(dòng)；12)LED狀態(tài)引腳；13)8腳2.0×2.1mm SC70JW封裝。
　　
　　模塊描述
　　
　　單節(jié)鋰離子/聚合物電池正在變成便攜式和超便攜式應(yīng)用的主要選擇。針對(duì)這一終端市場(chǎng)而開(kāi)發(fā)的AAT3681A是一個(gè)高性能的電池充電器，設(shè)計(jì)用于從一個(gè)外部電源以高達(dá)300mA的電流對(duì)單節(jié)鋰離子/聚合物電池進(jìn)行充電。這一充電電流可使用一個(gè)外部電阻在15mA到300mA的很寬范圍內(nèi)進(jìn)行定制。這就允許適配器/USB口在不同的應(yīng)用中執(zhí)行快速充電。它是一個(gè)獨(dú)立的充電解決方案，只需要一個(gè)外部元件就可以實(shí)現(xiàn)全部功能。這一器件可精確地為4.2V鋰離子/聚合物電池組調(diào)節(jié)電池充電電壓和電流。

　　
　　圖1：(a) 典型應(yīng)用框圖；(b) 功能框圖和引腳排列。
　　
　　該器件的額定工作溫度范圍為-40℃到+85℃。在某一給定的恒流充電水平下，當(dāng)工作環(huán)境溫度超出了該器件封裝的功耗能力時(shí)，其充電控制將進(jìn)入熱限制狀態(tài)。
　　
　　該器件提供一個(gè)狀態(tài)監(jiān)測(cè)輸出引腳，它可直接驅(qū)動(dòng)一個(gè)外部LED來(lái)指示電池充電狀態(tài)。器件結(jié)溫和充電狀態(tài)被充分監(jiān)測(cè)，以防錯(cuò)誤狀況發(fā)生。
　　
　　AAT3681A實(shí)現(xiàn)了一個(gè)完整的保護(hù)系統(tǒng)。在過(guò)壓或過(guò)溫錯(cuò)誤狀態(tài)發(fā)生時(shí)，該器件將自動(dòng)關(guān)斷，以保護(hù)充電設(shè)備、控制系統(tǒng)和充電狀態(tài)下的電池。

　充電操作
　　
　　AAT3681A具有針對(duì)整個(gè)電池充電周期的四種基本充電模式：預(yù)充/涓流充電、恒流/快速充電、恒壓充電和充電終結(jié)。
　　
　　電池預(yù)充
　　
　　在充電開(kāi)始前，為了確保一個(gè)安全的充電環(huán)境，AAT3681A會(huì)檢查幾個(gè)條件。輸入電源必須超過(guò)最小工作電壓或欠壓鎖定閾值，才能啟動(dòng)充電順序。當(dāng)這些條件都已得到滿足且電池連接到BAT引腳，AAT3681A就檢查電池的狀態(tài)。如果電池電壓低于預(yù)充電壓閾值，充電控制電路就開(kāi)始對(duì)電池進(jìn)行預(yù)充。電池預(yù)充涓流充電電流是快速充電恒流的十分之一。
　　
　　例如，如果可編程快速充電電流是300mA，那么預(yù)充電流就是30mA。電池單元預(yù)充是針對(duì)深度放電電池單元的一種安全預(yù)防措施，它也有助于限制導(dǎo)通晶體管上的功耗，因?yàn)榇藭r(shí)該器件上的電壓差是最大的。恒流充電電池單元預(yù)充一直持續(xù)到BAT引腳上的電壓超出預(yù)充電壓閾值。到達(dá)此點(diǎn)后，該器件開(kāi)始恒流充電階段。恒流充電幅值由用戶通過(guò)設(shè)置電阻進(jìn)行編程。AAT3681A一直保持恒流充電模式，一直到電池到達(dá)電壓調(diào)節(jié)點(diǎn)。

　　
　　恒壓充電
　　
　　在恒流快速充電階段，當(dāng)電池電壓到達(dá)輸出充電調(diào)節(jié)閾值時(shí)，系統(tǒng)就進(jìn)入恒壓充電模式。調(diào)節(jié)電壓水平在出廠時(shí)設(shè)置為4.2V(±0.5%)。恒壓模式下的充電電流掉下來(lái)，因?yàn)槌潆娭械碾姵貑卧斓竭_(dá)其最大容量。
　　
　　充電周期終結(jié)和再充電順序
　　
　　在恒壓模式下，當(dāng)充電電流掉到快速充電電流的10%時(shí)，該器件就終止充電，并進(jìn)入睡眠狀態(tài)。充電器將保持睡眠狀態(tài)，直到電池電壓降到電池再充電壓閾值以下。
　　
　　由于在睡眠狀態(tài)下消耗非常低的電流，因此AAT3681A在不充電時(shí)可將電池泄露降到最低。這一特性對(duì)這樣一些應(yīng)用來(lái)說(shuō)特別有用，其輸入電源水平可能低于充電電池水平或欠壓鎖定水平。在這些情況下，當(dāng)AAT3681A輸入電壓下降時(shí)，該器件將進(jìn)入睡眠狀態(tài)，一旦輸入電源從錯(cuò)誤狀態(tài)下恢復(fù)過(guò)來(lái)，它再自動(dòng)恢復(fù)充電。

　　散熱考慮
　　
　　AAT3681A采用SC70JW-8封裝，它能夠散發(fā)高達(dá)687mW的功率，當(dāng)它被正確地安裝在PCB板上時(shí)，并具有最大160℃/W的熱阻。在設(shè)計(jì)PCB和安排該充電器IC與某一特定應(yīng)用設(shè)計(jì)中的其它散熱器件的位置時(shí)，有許多因素應(yīng)當(dāng)加以考慮。
　　
　　該充電器IC的環(huán)境溫度也將對(duì)電池充電應(yīng)用的熱限制有影響。在某一特定環(huán)境條件下，可以期望的最大限制可通過(guò)以下討論估計(jì)出來(lái)。

　首先，某一特定環(huán)境下的最大功耗可通過(guò)下式計(jì)算出來(lái)：

　　
　　其中：
　　
　　PD(MAX) = 最大功耗(W)
　　
　　θJA = 封裝熱阻(℃/W)
　　
　　TJ(MAX) = 最大器件結(jié)溫(℃) [135℃]
　　
　　TA = 環(huán)境溫度(℃)
　　
　　其次，功耗可通過(guò)下式計(jì)算出來(lái)：

　　
　　其中：
　　
　　PD = 器件的總功耗
　　
　　VIN = 輸入電壓
　　
　　VBAT = BAT引腳上的電池電壓
　　
　　ICH = 針對(duì)某應(yīng)用編程的恒定充電電流
　　
　　IOP = 在正常工作狀態(tài)下充電器IC消耗的靜態(tài)電流[0.5mA]
　　
　　通過(guò)替代，我們可以推導(dǎo)出在到達(dá)熱限制條件(熱循環(huán))前的最大充電電流。該最大充電電流是設(shè)計(jì)電池充電器應(yīng)用時(shí)的關(guān)鍵因素。

　　
　　總之，最壞的情況是充電器IC上的最大電壓降，此時(shí)，電池電壓被充電到預(yù)充電壓閾值。
　　
　　保護(hù)電路；過(guò)壓保護(hù)
　　
　　一個(gè)過(guò)壓事件的定義為：BAT引腳上的電壓超過(guò)最大電池充電電壓，并被設(shè)定在過(guò)壓保護(hù)閾值。如果一個(gè)過(guò)壓事件發(fā)生，AAT3681A充電控制電路將關(guān)斷該器件，直到BAT引腳上的電壓掉到OVP電壓水平以下。AAT3681A在過(guò)壓狀態(tài)消除后，再恢復(fù)正常的充電操作。
　　
　　保護(hù)電路；過(guò)熱關(guān)斷
　　
　　AAT3681A有一個(gè)熱保護(hù)控制電路，一旦內(nèi)部裸片溫度超過(guò)預(yù)置的熱限制閾值，它就關(guān)斷充電功能。一旦內(nèi)部裸片溫度掉到熱限制以下，就自動(dòng)恢復(fù)到以前的正常充電狀態(tài)。
　　
　　充電電流的可編程性
　　
　　用戶可借助一個(gè)放在ISET引腳與地之間的設(shè)置電阻編程設(shè)定恒流充電水平?？焖俪潆娋群皖A(yù)充涓流充電電流，由使用的設(shè)置電阻的容差決定。因此，推薦采用1%容差的金屬薄膜電阻。快速充電恒流電流范圍從15mA到300mA。
　　
　　結(jié)論
　　
　　AAT3681A可以即插即用方式提供電池充電器全部功能。它只需要一個(gè)外部元件就可以進(jìn)行全部操作。該器件可提供極出的性?xún)r(jià)比。2mm×2.1mm的小占板面積可節(jié)省PCB空間。該器件適合各種不同應(yīng)用，從藍(lán)牙耳機(jī)、MP3播放器到腕表。AAT3681A是AnalogicTech公司不同復(fù)雜度和類(lèi)別產(chǎn)品大家庭的最新成員。