鋰電池線性充電管理芯片LTC4065及其應用

隨著移動計算技術和無線通信技術的發(fā)展,微型移動終端設備在移動數(shù)據(jù)采集、傳輸、處理及個人信息服務等領域得到越來越多的應用。鋰電池因其體積小、能量密度高、無記憶效應、循環(huán)壽命高、高電壓電池和自放電率低等優(yōu)點，近年來已經(jīng)成為微型移動終端設備的首選電源。鋰電池的特性以及應用環(huán)境的需求，對微型移動終端設備充電方案的設計提出了更高的要求。因此在充電方案的設計中需要綜合考慮成本、體積、噪聲、效率等因素。[1]
　　LTC4065是一款用于單節(jié)鋰電池的完整恒定電流/恒定電壓線性充電管理芯片，可提供高達750 mA且準確度為5%的可設置的充電電流，并支持直接使用USB端口對單節(jié)鋰電池進行充電。同時其熱反饋功能可調節(jié)充電電流，以便在大功率工作或高環(huán)境溫度條件下對芯片溫度加以限制，確保安全工作。由于采用了內(nèi)部MOSFET架構，因此無需使用外部檢測電阻器或隔離二極管。很少的外部元件數(shù)目加上其2 mm×2 mm DFN封裝，使得LTC4065尤其適合無線PDA、蜂窩電話、無線傳感器終端等應用。功能齊全的LTC4065還包括自動再充電、低電池電量充電調節(jié)、軟啟動等豐富功能。
　　圖1  LTC4065芯片引腳排列
　　1  LTC4065的引腳功能
　　LTC4065采用了熱處理能力較強的６引腳小外形封裝（DFN），且實現(xiàn)產(chǎn)品無鉛化，底部采用裸露襯墊，直接焊接至PCB以實現(xiàn)電接觸和額定散熱性能。引腳排列如圖1所示。
　　各引腳功能如下：
　　引腳1，GND，接地端。
　　引腳2，CHRG，漏極開路充電狀態(tài)輸出。充電狀態(tài)指示引腳具有三種狀態(tài)：下拉、2 Hz脈動和高阻抗狀態(tài)。該輸出可以被用作一個邏輯接口或一個LED驅動器。對電池進行充電時，有一個內(nèi)部N溝道MOSFET將GHRG引腳拉至低電平。當充電電流降至全標度電流的10%時，CHRG引腳被強制為高阻抗狀態(tài)。如果電池電壓處于2.9 V以下的持續(xù)時間達到充電時間的1/4，則認為電池失效，而且CHRG引腳將以2 Hz的頻率脈動。
　　引腳3，BAT，充電電流輸出。該引腳向電池供應充電電流，并將最終浮動電壓調節(jié)至4.2 V。該引腳上的一個內(nèi)部精確電阻分壓器負責設定此浮動電壓，并在停機模式時斷接。
　　引腳4，VCC，正輸入電源。該引腳向充電器供電。VCC的變化范圍是3.75~5.5 V。該引腳應通過一個最小1 μF的電容器進行旁路。當VCC處于BAT引腳電壓的32 mV以內(nèi)時，LTC4065進入停機模式，從而使IBAT降至約1 μA。
　　引腳5，EN，使能輸入引腳。把該引腳拉至手動停機門限（一般為0.82 V）以上，將把LTC4065置于停機模式。在停機模式中，LTC4065的電源電流低于20 μA。使能為缺省狀態(tài)，但不用時應將該引腳連至GND。
　　引腳6，PROG，充電電流設置和充電電流監(jiān)視引腳。充電電流是通過連接一個精度為1%的接地電阻器RPROG來設置的。
　　2  工作原理
　　LTC4065主要是為實現(xiàn)對單節(jié)電池充電而設計的線性電池充電管理芯片。該芯片利用其內(nèi)部功率MOSFET對電池進行恒流和恒壓充電。充電電流可利用外部電阻編程設定，最大充電可達750 mA。LTC4065包含一個漏極開路狀態(tài)指示輸出端：CHRG通過下拉、2 Hz脈動和高阻抗三種狀態(tài)來指示充電狀態(tài)以及電池失效。如果芯片結溫試圖升至約115 ℃的預設值以上，一個內(nèi)部熱限制電路將減小設定的充電電流。不僅可防止LTC4065過熱，也使用戶可以最大限度地利用芯片的功率處理能力，不用擔心因過熱而損壞芯片或外部元件。這樣，用戶在設計充電電流時，可以不用考慮最壞情況，而只根據(jù)典型情況進行設計，因為在最壞情況下，LTC4065會自動降低充電電流。
　　當Vcc引腳上電壓超過3.6 V且比BAT引腳電壓高出約80 mV時，LTC4065開始對電池充電，CHRG引腳輸出低電平，表示充電正在進行。如果BAT引腳電壓低于2.9 V，則充電器進入涓流充電模式，芯片利用1/10的設定充電電流對電池進行預充電，以便將電池電壓提升至一個適合充電的安全電平。當BAT引腳電壓超過4.1 V時，因為電池已接近滿容量，芯片進入快速充電恒流模式對電池充電。充電電流大小由PROG引腳和GND之間的電阻器設定。電池充電電流是PROG引腳輸出電流的1 000倍。當BAT引腳電壓接近最終浮動電壓(4.2 V)時，充電電流逐漸減小，LTC4065進入恒壓充電模式。當充電電流減小到全標度充電電流的10%時充電周期結束，一個內(nèi)部比較器將關斷在CHRG引腳上的N溝道MOSFET，該引腳呈高阻態(tài)。如果將EN引腳電壓拉至停機門限（約為0.82 V）以上，充電將被禁止。把PROG引腳懸浮同樣能禁止充電，在停機模式中，電池漏電流降至1 μA以下，電源電流降至約20 μA。
　　3  應用電路
　　在本實驗室無線醫(yī)護管理系統(tǒng)項目中，無線通信終端設備的充電電路設計采用了基于LTC4065的方案，電路如圖2所示。
　　圖2  LTC4065的應用電路
　　LTC4065的電壓輸入端VCC所允許的輸入電壓在3.75~5.5 V之間。目前市場上的5 V穩(wěn)壓電源的輸出電壓一般并不穩(wěn)定，很多時候會超過 6 V而給充電帶來不良影響。LTC4065內(nèi)部具有穩(wěn)壓電路能夠起到一定的穩(wěn)壓作用，一般應用情況下可直接連接穩(wěn)壓電源。如果應用需求較高，也可在VCC的前級加一個1 A的三端穩(wěn)壓電源芯片。在圖2所示電路中，將VCC直接接至穩(wěn)壓電源，鋰電池通過一個線性穩(wěn)壓芯片SG2003為工作電路提供電源。權衡電路工作的穩(wěn)定性與充電時間，充電電路采用300 mA充電電流。因此，為了保證良好的穩(wěn)定性和溫度特性，R采用了3.3 kΩ精度為1%的金屬膜電阻。LTC4065的漏極開路狀態(tài)指示輸出端CHRG串接了一個510 Ω電阻和一個發(fā)光二極管，再接到VCC上，用來指示充電狀態(tài)。為保證充電器正常工作，本電路在BAT電池端和GND間連接一個1 μF的去耦電容。為了能夠輸出最大的充電電流，要求將LTC4065背面裸露的金屬板焊接到金屬線路板地端的銅片上，以達到最大的散熱性能；否則，芯片熱阻將增大，導致能夠輸出的最大充電電流減小。
　　結語
　　鋰電池充電電路的設計是一個平衡的考慮，一方面要提供較大的充電電流以縮短充電時間，另一方面充電電路的尺寸必須足夠小以符合微型移動終端設備體積日益縮小的趨勢[2]。應用LTC4065芯片僅需要非常少的外圍元件配合，就可以實現(xiàn)低成本的單節(jié)鋰離子或鋰聚合物電池充電方案。不僅電路尺寸十分小，而且可根據(jù)應用需求設置充電電流以控制充電時間，非常適合于微型移動終端設備的小型化設計。采用本方案的無線醫(yī)護管理系統(tǒng)終端設備已投入批量生產(chǎn)。本文的電路設計方法對采用其他充電芯片進行的電路設計也有很好的參考價值。
　　參考文獻
　　[1] 王非，劉昊，田曉明. 手持終端設備中的鋰電池充電技術[J]. 電子器件，2004(4).
　　[2] Chen Chen, He Lenian. Chip Design of LiIon Battery Charger Operating in ConstantCurrent / ConstantVoltage Modes[J].半導體學報，2007(7).