单芯片USB锂离子/聚合物电池充电器解决方案

2009年05月01日 14:05    贾延安
关键词: USB , 充电器 , 电池 , 聚合物 , 锂离子
目前市场上相当多的超薄便携式应用采用单节锂离子/聚合物电池,它们要求一个全功能的、可靠的电池充电器,它能够提供很好的功能、非常小的体积、非常好的性价比、以及灵活性。AAT3681A可满足以上所有要求,而且只需要一个外部元件。AAT3681A的封装尺寸非常小,只有2.0×2.1mm,这使得它非常适合便携式和超便携式应用。这一器件是即插即用型充电器设计师能够得到的最理想器件,它可以帮助设计师节省设计和PCB布板时间,也有助于将产品快速推向市场。
AnalogicTech可提供专为便携式和手持式电池供电应用设计的大量电源转换解决方案。一个成功设计的最重要特征之一是,器件与目标应用之间的匹配是非常完美的。
就AAT3681A来说,现代便携式应用的功能正在以一个令人瞠目结舌的速度扩展,所有类型的新功能正被添加进去以满足市场的要求。因此,提供这一器件的目的是把单节锂离子电池充电器所需的所有功能全部集成在一起,以及最大程度地减小电路设计师的设计工作量。现在他们可以把精力更多地集中在充电器设计的主要目标上,而不是电池充电器设计的非常深入的细节上。
AAT3681A Battery Manager是一个高度集成的单节锂离子/聚合物电池充电器IC,设计用于从一个DC电源或USB口进行充电,输入电压可高达7.5V。它只需要一个外部元件就能实现全部的功能。AAT3681A可精确地为4.2V(或4.375V)锂离子/聚合物电池组调节电池充电电压和电流
当从AC适配器或USB口充电时,高达300mA的电池充电电流可通过一个外部电阻进行设置。电池充电状态被不间断地监测,一旦错误情况(如过压、短路或过热)发生,该器件将自动关断,从而保护充电设备、控制系统和处于充电状态的电池。AAT3681A提供一个状态监测输出脚,它通过直接驱动一个外部LED来指示电池充电状态。
AAT3681A采用节省空间的8脚无铅耐热SC70JW封装,占板面积只有2.0×2.1mm,工作温度范围为-40℃到+85℃。
最近发布的AAT3681A是一个单节电池充电器,它适合很多的应用,包括:1)蓝牙耳机;2)DECT耳机;3)数码相机;4)MP3便携式音乐播放机、PMP;5)腕表;6)其它锂离子/聚合物电池供电设备。
尽管该器件的设计目的是为了让充电器的设计变得非常快速、简单和容易,但它集成了很多特性来帮助优化电池充电性能和PCB布板面积。下面是这些特性和功能的一部分:1)USB或AC适配器系统电池充电器;2)15mA到300mA的可编程充电电流;3)4.0V到7.5V的输入电压范围;4)与内部充电器件的高度集成;5)反向阻塞二极管;6)自动电流感应;7)自动再充定序;8)充满电自动关断/睡眠模式/充电终结;9)关机电流小于1uA;10)电池预充、过压和紧急过热保护状态下的自动涓流充电;11)上电复位和软启动;12)LED状态引脚;13)8脚2.0×2.1mm SC70JW封装。
模块描述
单节锂离子/聚合物电池正在变成便携式和超便携式应用的主要选择。针对这一终端市场而开发的AAT3681A是一个高性能的电池充电器,设计用于从一个外部电源以高达300mA的电流对单节锂离子/聚合物电池进行充电。这一充电电流可使用一个外部电阻在15mA到300mA的很宽范围内进行定制。这就允许适配器/USB口在不同的应用中执行快速充电。它是一个独立的充电解决方案,只需要一个外部元件就可以实现全部功能。这一器件可精确地为4.2V锂离子/聚合物电池组调节电池充电电压和电流。


图1:(a) 典型应用框图;(b) 功能框图和引脚排列。

该器件的额定工作温度范围为-40℃到+85℃。在某一给定的恒流充电水平下,当工作环境温度超出了该器件封装的功耗能力时,其充电控制将进入热限制状态。
该器件提供一个状态监测输出引脚,它可直接驱动一个外部LED来指示电池充电状态。器件结温和充电状态被充分监测,以防错误状况发生。
AAT3681A实现了一个完整的保护系统。在过压或过温错误状态发生时,该器件将自动关断,以保护充电设备、控制系统和充电状态下的电池。
充电操作
AAT3681A具有针对整个电池充电周期的四种基本充电模式:预充/涓流充电、恒流/快速充电、恒压充电和充电终结。
电池预充
在充电开始前,为了确保一个安全的充电环境,AAT3681A会检查几个条件。输入电源必须超过最小工作电压或欠压锁定阈值,才能启动充电顺序。当这些条件都已得到满足且电池连接到BAT引脚,AAT3681A就检查电池的状态。如果电池电压低于预充电压阈值,充电控制电路就开始对电池进行预充。电池预充涓流充电电流是快速充电恒流的十分之一。
例如,如果可编程快速充电电流是300mA,那么预充电流就是30mA。电池单元预充是针对深度放电电池单元的一种安全预防措施,它也有助于限制导通晶体管上的功耗,因为此时该器件上的电压差是最大的。恒流充电电池单元预充一直持续到BAT引脚上的电压超出预充电压阈值。到达此点后,该器件开始恒流充电阶段。恒流充电幅值由用户通过设置电阻进行编程。AAT3681A一直保持恒流充电模式,一直到电池到达电压调节点。

恒压充电
在恒流快速充电阶段,当电池电压到达输出充电调节阈值时,系统就进入恒压充电模式。调节电压水平在出厂时设置为4.2V(±0.5%)。恒压模式下的充电电流掉下来,因为充电中的电池单元快到达其最大容量。
充电周期终结和再充电顺序
在恒压模式下,当充电电流掉到快速充电电流的10%时,该器件就终止充电,并进入睡眠状态。充电器将保持睡眠状态,直到电池电压降到电池再充电压阈值以下。
由于在睡眠状态下消耗非常低的电流,因此AAT3681A在不充电时可将电池泄露降到最低。这一特性对这样一些应用来说特别有用,其输入电源水平可能低于充电电池水平或欠压锁定水平。在这些情况下,当AAT3681A输入电压下降时,该器件将进入睡眠状态,一旦输入电源从错误状态下恢复过来,它再自动恢复充电。
散热考虑
AAT3681A采用SC70JW-8封装,它能够散发高达687mW的功率,当它被正确地安装在PCB板上时,并具有最大160℃/W的热阻。在设计PCB和安排该充电器IC与某一特定应用设计中的其它散热器件的位置时,有许多因素应当加以考虑。
该充电器IC的环境温度也将对电池充电应用的热限制有影响。在某一特定环境条件下,可以期望的最大限制可通过以下讨论估计出来。
首先,某一特定环境下的最大功耗可通过下式计算出来:

其中:
PD(MAX) = 最大功耗(W)
θJA = 封装热阻(℃/W)
TJ(MAX) = 最大器件结温(℃) [135℃]
TA = 环境温度(℃)  
其次,功耗可通过下式计算出来:

其中:
PD = 器件的总功耗
VIN = 输入电压
VBAT = BAT引脚上的电池电压
ICH = 针对某应用编程的恒定充电电流
IOP = 在正常工作状态下充电器IC消耗的静态电流[0.5mA]   
通过替代,我们可以推导出在到达热限制条件(热循环)前的最大充电电流。该最大充电电流是设计电池充电器应用时的关键因素。

总之,最坏的情况是充电器IC上的最大电压降,此时,电池电压被充电到预充电压阈值。
保护电路;过压保护
一个过压事件的定义为:BAT引脚上的电压超过最大电池充电电压,并被设定在过压保护阈值。如果一个过压事件发生,AAT3681A充电控制电路将关断该器件,直到BAT引脚上的电压掉到OVP电压水平以下。AAT3681A在过压状态消除后,再恢复正常的充电操作。
保护电路;过热关断
AAT3681A有一个热保护控制电路,一旦内部裸片温度超过预置的热限制阈值,它就关断充电功能。一旦内部裸片温度掉到热限制以下,就自动恢复到以前的正常充电状态。
充电电流的可编程性
用户可借助一个放在ISET引脚与地之间的设置电阻编程设定恒流充电水平。快速充电精度和预充涓流充电电流,由使用的设置电阻的容差决定。因此,推荐采用1%容差的金属薄膜电阻。快速充电恒流电流范围从15mA到300mA。
结论
AAT3681A可以即插即用方式提供电池充电器全部功能。它只需要一个外部元件就可以进行全部操作。该器件可提供极出的性价比。2mm×2.1mm的小占板面积可节省PCB空间。该器件适合各种不同应用,从蓝牙耳机、MP3播放器到腕表。AAT3681A是AnalogicTech公司不同复杂度和类别产品大家庭的最新成员。
如欲了解完整产品信息,请访问http://www.analogictech.com/prod ... .aspx?ProductID=162
作者简介:
AlanElbanhawy是AnalogicTech公司先进电源系统设计部门总监。Alan拥有电气工程学士学位,在电源设计和研发管理方面已拥有超过35年的工作经验。他拥有7个专利,在很多技术论坛上发表过超过60篇论文。他的论文和文章已出现在5种不同语言的国际技术出版物上。
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