如韵电子
CONSONANCE
PFM 升压型多节镍氢电池充电控制集成电路
CN3387
概述:
特点:
CN3387是一款工作于2.7V到6.5V的PFM升压型多
节镍氢电池充电控制集成电路,可以对4节到12节
镍氢电池进行充电管理。CN3387采用恒流模式和
维持充电模式对电池进行充电管理,内部集成有
基准电压源,电感电流检测单元,电池电压检测
电路和片外场效应晶体管驱动电路等,具有外部
元件少,电路简单等优点。
当接入输入电源后,CN3387进入恒流充电状态,
控制片外N沟道MOSFET导通,电感电流上升,当
上升到外部电流检测电阻设置的上限时,片外N沟
道MOSFET截止,电感电流下降,电感中的能量
转移到电池中。当电感电流下降到外部电流检测
电阻设置的下限时,片外N沟道MOSFET再次导
通,如此循环。当FB管脚电压达到1.125V(典型值)
时,CN3387进入维持充电模式,此时输入电流减
小为恒流状态的66%,同时启动内部定时器。当内
部定时结束或者FB管脚电压达到1.205V时,充电
过程结束,片外N沟道MOSFET保持截止状态。当
FB管脚电压下降到再充电阈值(1.105V)时,
CN3387再次进入充电状态。CN3387最高工作频率
可达1MHz,工作温度范围从-40℃到+85℃。
当电池电压低于输入电压或电池短路时,CN3387
在片外N沟道MOSFET和P沟道MOSFET的共同作
用下,用较小电流继续对电池充电,对电池起到
保护作用。
其他功能包括芯片使能输入,状态指示输出端等。
CN3387采用10管脚的SSOP10封装。
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输入电压范围:2.7V 到 6.5V
工作电流:300微安@VIN=5V
电感电流检测
适合太阳能供电应用
高达1MHz开关频率
维持充电模式保证电池充满
定时结束充电
自动再充电功能
高达35W输出功率
当电池电压低于输入电压或者电池短路时,
以较小电流充电。
输入电源的自适应功能
芯片使能输入端
电池端过压保护
状态指示输出
工作温度范围:-40℃到85℃
10管脚SSOP10封装
产品无铅,满足rohs指令要求,不含卤素
管脚排列图:
应用:
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独立镍氢电池充电器
电动工具
玩具
独立充电器
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1
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典型应用电路:
图 1 典型应用电路(不考虑电池电压过低或电池短路保护)
图 2 典型应用电路(电池电压过低或电池短路保护)
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2
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订购信息:
器件型号
CN3387
封装形式
SSOP-10
包装
盘装,每盘 4000 只
工作环境温度
-40℃ 到 85℃
功能框图:
图 3 功能框图
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3
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管脚描述:
序号
名称
功能描述
1
STAT
充电状态指示输出端。CMOS输出端,当此管脚为高电平时,表示充电器
处于充电状态;当此管脚为低电平时,表示充电器处于充电结束状态。
CE
芯片使能输入端。高输入电平将使CN3387处于正常工作状态;低输入电平
使CN3387处于被禁止状态。
CE管脚可以被TTL电平或者CMOS电平驱动。
2
3
FB
电池电压反馈输入端。此管脚连接到外部反馈电阻,以检测电池电压。充
电状态由此管脚的电压值决定。电池端电压与FB管脚电压的对应关系为:
VBAT=VFB×(1+R1/R2)
4
BAT
电池正极输入端。此管脚直接连接到电池正极。
5
GND
电源地。输入电源和电池的负极。
6
LDRV
片外N沟道功率管栅极驱动端。连接到外部N沟道场效应晶体管(MOSFET)
的栅极。
7
HDRV
片外P沟道功率管栅极驱动端。连接到外部P沟道场效应晶体管(MOSFET)
的栅极。
当不需要考虑电池电压过低保护或者电池端短路保护时,不需要使用外部
的P沟道场效应晶体管,此管脚悬空即可。
8
VIN
电源正输入端。VIN管脚为CN3387内部电路提供工作电源,同时也是电感
电流 (输入电流)检测的正输入端。
9
CSN
电感电流检测负输入端。在VIN管脚和CSN管脚之间接一个电流检测电阻
RCS,用以检测电感电流 (输入电流)。在恒流充电状态,(VIN-CSN)的上
限为125毫伏(典型值),下限为85毫伏(典型值)。
CT
定时电容接入端。定时电容连接到此管脚与地之间。当CN3387进入维持充
电状态时,定时开始。定时时间由下面公式决定:
定时时间=12.18ⅹ109ⅹC2
其中,C2为CT管脚的定时电容值。
定时结束时,CN3387进入充电结束状态。
10
极限参数
VIN,CSN 和 CE 管脚电压…….…-0.3V to 6.5V
BAT 管脚电压……………….....……-0.3V to 18V
CSN 与 VIN 管脚电压…………..…-0.3V to 0.3V
STAT,LDRV 和 HDRV 管脚电压...-0.3V to VIN
FB,和 CT 管脚电压……………….-0.3V to VIN
最大结温………..…........................………...150℃
工作温度范围…..............................-40℃ to 85℃
存储温度…………….……….......-65℃ to 150℃
焊接温度(10 秒)………….....................…...260℃
超出以上所列的极限参数可能造成器件的永久损坏。以上给出的仅仅是极限范围,在这样的极限条件下
工作,器件的技术指标将得不到保证,长期在这种条件下还会影响器件的可靠性。
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4
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电气参数:
(VIN = 5V,TA=-40°C to +85°C,典型值在 TA=+25°C 时测得,除非另有说明。)
参数
符号
输入电压范围
VIN
工作电流
关断电流
IVIN
Ioff
开关频率
fSW
测试条件
最小
典型
2.7
VFB=1.5V,No Switching
230
300
CE管脚低电平
最大
单位
6.5
伏特
370
微安
2
微安
1000
KHz
0
200
电感电流检测比较器
恒流
检测电压高端阈值
VCSHI
维持充电
恒流
检测电压低端阈值
VCSLO
维持充电
(VIN - VCSN) 从
0V上升,直到
VLDRV <0.5V
(VIN - VCSN) 从
0.2V下降,直到
VLDRV >
(VCC -
113
123
133
62
72
82
77
87
97
35
45
55
毫伏
毫伏
0.5V)
输出高电平传输延时
tDPDH
(VIN-VCSN):0.15V到0.075V
72
纳秒
输出低电平传输延时
tDPDL
(VIN-VCSN):0.06V到0.135V
66
纳秒
CSN管脚输入电流
ICSN
100
纳安
FB管脚
FB管脚最高电压
Vhigh
FB管脚电压上升
1.193
1.205
1.217
伏特
FB恒流充电终止电压
VCCT
FB管脚电压上升
1.1
1.125
1.15
伏特
FB管脚再充电阈值
Vrech
FB管脚电压下降
1.08
1.105
FB管脚电流
IFB
VFB=5.5V
过压保护阈值
VOV
BAT管脚电压上升
1.255
1.285
1.315
过压释放阈值
VOVRLS
BAT管脚电压下降
1.205
1.235
1.265
VBAT=12V
4.6
5.8
7
0
1.13
伏特
100
纳安
伏特
BAT管脚
BAT管脚流入电流
IBAT
微安
LDRV管脚
LDRV管脚输出电流
VCSN=VIN, VDRV=0.5×VCC
0.65
安培
LDRV管脚下拉电流
VCSN=VIN-0.2V,
VLDRV=0.5×VCC
0.65
安培
LDRV输出高电平
VOH
ILDRV=5mA
LDRV输出低电平
VOL
ILDRV=-5mA
伏特
VCC-0.3
0.3
伏特
HDRV管脚
HDRV管脚输出电流
VCSN=VIN, VDRV=0.5×VCC
0.8
安培
HDRV管脚下拉电流
VCSN=VIN-0.2V,
VHDRV=0.5×VCC
0.8
安培
HDRV输出高电平
VOH
IHDRV=5mA
HDRV输出低电平
VOL
IHDRV=-5mA
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伏特
VCC-0.3
5
0.3
伏特
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(接上页)
参数
符号
测试条件
最小
典型
最大
单位
输入低电平
VCEL
CE电压下降
0.7
伏特
输入高电平
VCEH
CE电压上升
2.2
ICEL
CE=GND,VIN=6V
-1
ICEH
CE=VIN=6V
下拉电流
ISINK
VSTAT=0.3V,结束模式
10
毫安
输出电流
ISRC
VSTAT=4.7V,充电模式
10
毫安
CE管脚
输入电流
伏特
1
微安
STAT管脚
详细描述:
CN3387是一款PFM升压型镍氢电池充电控制集成电路,可以对4节到12节镍氢电池进行充电管理。CN3387
输入电压范围2.7V到6.5V,内部集成有基准电压源,电感电流检测单元,电池电压检测电路,输出过压
保护电路,电池电压过低保护单元,控制单元和片外场效应晶体管驱动电路等,非常适合5V输入,为多
节镍氢电池的充电控制应用,具有外部元件少,功能多,电路简单等优点。
当接入输入电源后,CN3387进入恒流充电状态,STAT管脚输出高电平,片外N沟道场效应晶体管导通,
电感电流上升,输出电容中的能量转移到电池中。当电感电流上升到外部电流检测电阻设置的上限时,
片外N沟道场效应晶体管截止,电感电流下降,电感中的能量转移到输出电容和电池中。当电感电流下降
到外部电流检测电阻设置的下限时,片外N沟道场效应晶体管再次导通,如此循环。电池电压通过电阻分
压网络反馈到CN3387的FB管脚,当FB管脚电压达到1.125V(典型值)时, CN3387进入维持充电状态,输
入电流降低到恒流充电时的66%,同时启动内部定时电路。当内部定时结束或者FB管脚电压达到1.205V
时,充电过程结束,片外N沟道MOSFET截止,CN3387进入充电结束状态,STAT管脚输出低电平。在充
电结束状态,没有电流从输入端流向电池。当FB管脚电压下降到再充电阈值1.105V(典型值)时,CN3387
再次进入充电状态。CN3387最高工作频率可达1MHz。
CN3387为升压型充电控制集成电路,正常情况下,电池电压高于输入电压。在某些情况下,如果电池电
压低于输入电压,甚至电池短路,那么片外N沟道场效应晶体管关断时间延长,充电电流变小,对电池起
到保护作用。
其他功能包括芯片使能输入端,电池端过压保护等。
充电过程如图4所示。
图4 充电过程示意图
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充电流程如图5所示。
图5 充电流程图
应用信息:
输入电压范围
CN3387 在输入电压在 2.7V 到 6.5V 的范围内均能正常工作。CN3387 内部有输入电源低电压检测电路,
如果输入电压小于 2.65V(最大值),那么 CN3387 被关断。
芯片使能/关断
当 CE 管脚电压低于 0.7V 时,CN3387 被关断。为了使 CN3387 正常工作,在 CE 管脚需要施加 2.2V 以
上的电压。当 CN3387 被关断时,芯片内部电路被关断。
不要在 CE 管脚施加 0.7V 到 2.2V 电压,否则将使 CN3387 处于不确定状态,并消耗比较大的电流。
电池端电压和电池端最高电压
电池端最高电压为在充电过程中电池端可能达到的最高电压,当电池电压达到此电压时,CN3387 进入
充电结束模式。根据镍氢电池的充电特性,在电池接近充满时,电池电压可能下降,所以电池电压不一
定会达到电池端最高电压。
FB管脚电压与电池端电压的对应关系为:
VBAT=VFB×(1+R1/R2)
当 VFB 电压达到 1.205V(典型值)时,电池端电压达到最高,即:
电池端最高电压=1.205×(1+R1/R2)
其中,R1 和 R2 是图 1 与图 2 中的电阻 R1 和 R2。
维持充电状态
当FB管脚电压大于1.125V时,即电池电压大于电池端最高电压的93.3%时,CN3387处于维持充电阶段。
在维持充电阶段,内部定时器启动,定时结束后CN3387进入充电结束状态。维持充电时间由下式决定:
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T(s)=12.18×C2×10
其中,T(s)单位为“秒”
C2 是图 1 和图 2 中的定时电容 C2 的容值,单位为“法拉”,C2 容值须大于 1nF,超出此
范围定时精度变差
电感电流(输入电流)
在图1和图2所示的电路中,CN3387通过连接在VIN和CSN管脚之间的电流检测电阻RCS设置电感电流。
当外部N沟道场效应导通时,输入电源向电感充电,电感电流上升,当电感电流上升到(典型值):
ILhigh = 0.123V / RCS (恒流充电模式)
ILhigh = 0.0720V / RCS (维持充电模式)
外部N沟道场效应晶体管截止,电感电流开始下降,电感中的能量转移到输出电容和电池中。当电感电流
下降到(典型值):
ILlow = 0.087V / RCS
(恒流充电模式)
ILlow = 0.045V / RCS
(维持充电模式)
外部N沟道场效应晶体管再次导通,开始新的周期。
所以,电感平均电流为:
IL = 0.105V / RCS
(恒流充电模式)
IL = 0.06V / RCS
(维持充电模式)
在上面的三个公式中,
ILhigh是电感电流上限,单位是安培(A)
ILlow是电感电流下限,单位是安培(A)
RCS是电感电流检测电阻值,单位是欧姆(Ω)
计算开关频率和电感值
在图1所示的应用电路中,在恒流充电模式,外部N沟道场效应晶体管导通时间为:
在恒流充电模式,外部N沟道场效应晶体管截止时间为:
所以在恒流充电模式,CN3387开关频率为:
CN3387要求根据上式计算的开关频率不小于200KHz。一般开关频率选择在300KHz到600KHz之间可以达
到比较好的转换效率和电感尺寸平衡。
开关频率随着输入电压和电池电压的变化而变化,所以在确定开关频率时,电池电压选用标称电压1.2ⅹn
(V),其中n为镍氢电池的串联数量。
根据输入电压范围,充电电流和开关频率的要求,一般电感值在3.3uH与15uH之间可以满足要求。
CN3387的LDRV管脚输出脉冲信号占空比为:
在上面的两个公式中,L为电感值,单位为亨利(H)
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VIN为输入电压,单位为伏特(V)
VBAT为电池电压,单位为伏特(V)
VD为二极管D1的正向导通电压,单位为伏特(V)
RCS为电感电流检测电阻,单位为欧姆(Ω)
估算恒流模式充电电流
CN3387是通过监测电感电流(输入电流)而控制充电电流,所以恒流模式充电电流会随输入电压和电池
电压的变化而变化。
一般情况下,可通过下面的公式估算恒流模式充电电流:
其中,
ICH是流向电池的充电电流,单位为安培(A)
VIN是输入电压,单位为伏特(V)
IL是电感平均电流,为0.106/RCS,单位为安培(A)
η是转换效率,一般在80%到90%之间,可取典型值85%
VBAT是电池电压,可按照每节电池1.2V取值,单位为伏特(V)
充电结束
当内部定时结束或者 FB 管脚电压达到 1.205V 时,
充电过程结束,片外 N 沟道场效应晶体管截止,
CN3387
进入充电结束状态。在充电结束状态,没有电流从输入端流向电池。
再充电
在充电结束状态,当 FB 管脚电压下降到再充电阈值 1.105V(典型值)时,CN3387 再次进入充电状态。
N沟道MOSFET的选择
CN3387需要使用一个外部N沟道场效应晶体管。选择场效应晶体管应考虑最高电池电压,电感电流,开
启电压,导通电阻和栅极总电荷等因素。MOS场效应晶体管的击穿电压应该大于最高电池电压;较低的
导通电阻和较低的总栅极电荷(Qg)有助于提高效率;开启电压要保证MOS场效应晶体管在工作电压最低
端仍能完全导通。
二极管的选择
为了提高效率,在图1和图2中的二极管D1的正向导通电压要尽量低,最好使用肖特基二极管;二极管通
过电流能力要比充电电流大;击穿电压要大于最高电池电压。
图2中的二极管D2只在输入电压大于电池电压的情况下才使用,此时电感电流明显降低。所以二极管D2
的正向导通电压要尽量低,最好使用肖特基二极管;二极管通过电流能力要比电感电流大;击穿电压要
大于最高输入电压。
输入电容
电源输入端VIN和地之间需要接一个至少为4.7微法的陶瓷滤波电容(图1和图2中的C1),如果电感电流比
较大,或者输入电源的输出阻抗比较大,或者输入电源连接导线比较长,电容值要相应增加;电容的耐
压应高于最大输入电压。一般输入电容值在4.7uF到47uF之间,在频率为1MHz时具有比较低的阻抗。推
荐使用串联等效电阻(ESR)比较低的X5R或X7R贴片陶瓷电容或者贴片陶瓷电容与电解电容并联组成。
输出电容
在充电器的输出端到地之间需要电容对电池电压滤波(图1和图2中的Co),以及在片外N沟道场效应晶体管
导通时向电池提供充电电流。
对输出电容的要求是有电池正极纹波电压的要求决定的。电池正极纹波电压由下式决定:
其中, ICH是电池端的充电电流
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toff是片外场效应晶体管关断时间,由第6页公式(2)决定
Co是输出电容
Resr是输出电容串联等效电阻
Rcs是图1和图2中的电感电流检测电阻
所以要求输出电容的串联等效电阻要小,推荐使用串联等效电阻(ESR)比较低的X5R或X7R贴片陶瓷电容
或者贴片陶瓷电容与电解电容并联组成。
电池没有连接
当电池没有连接到充电器时,CN3387把输出滤波电容当作电池充电,由于输出电容容量小,输出端电压
被快速充电到过压保护电压,然后输出电容被反馈电阻等慢慢放电,当放电到再充电阈值时,CN3387又
进入充电状态,如此反复。所以此时输出端电压波形为锯齿波,同时STAT管脚输出脉冲信号。
状态指示
CN3387的CMOS输出STAT管脚可以实现状态指示功能,在充电状态,STAT管脚输出高电平;在结束状态,
STAT管脚输出低电平。
STAT管脚可以驱动发光二极管(LED)或者与单片机(MCU)接口相连。
在图1和图2中,STAT管脚驱动发光二极管。
当STAT管脚需要同单片机的输入端口连接时,如果CN3387工作电压大于单片机工作电压,那么可以通过
图5所示的电路。
图5 STAT管脚与工作电压低的单片机输入端口连接
如果STAT管脚需要驱动两颗共阳或者共阴的发光二极管,那么可以采用图6所示电路:
图6 驱动两颗共阳或共阴发光二极管
当芯片使能输入端CE为低电平时,STAT管脚输出高电平,如果需要彻底关断LED,可参考图7所示的电
路。
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图7 CE为低电平时关断LED
关于输入电压高于电池电压或电池短路的情形
在某些异常情况下,比如,输入电压大于电池电压与二极管压降之和,或者电池短路,此时如果采用图
1 所示的应用电路,那么输入电源会通过电感和二极管形成一个放电通路,此电流不受控制,可能会对
电池造成损坏。
此时如果采用图 2 所示应用电路,CN3387 的 LDRV 管脚和 HDRV 管脚会控制片外 N 沟道和 P 沟道场效
应晶体管,采用降压模式对电池充电。在前半个周期,N 沟道和 P 沟道场效应晶体管同时导通,输入电
源对电感充电;在后半个周期,N 沟道和 P 沟道场效应晶体管同时关断,电感通过二极管 D1 和 D2 向电
池释放能量,此半个周期至少维持 5 微秒,有效降低了充电电流,对电池起到保护作用。
关于输入电源自适应功能
CN3387 的输入电压范围在 2.7V 与 6.5V 之间,
当输入电源的带载能力小于 CN3387 所设计的输入电流时,
输入电压会被控制拉到最低 2.68V(典型值),以适应输入电源的带载能力。
在输入电源自适应模式,输入电压可能会降低到 2.68V(典型值)
,所以须保证所选择的 MOS 晶体管在
2.4V 左右能够完全导通。
设计流程
典型应用电路图1和图2中的电路参数可根据下面的流程设计:
(1) 根据电池容量和充电时间要求确定所需要的充电电流和定时时间。
在维持充电阶段,应向电池中补充电池容量55%的能量。假设电池容量为C,那么定时时间为:
t = 0.55C∕0.66ICH, 其中,ICH是所估算的恒流充电电流
(2) 根据定时时间确定定时电容C2的容值。
定时时间 = 12.18ⅹ109ⅹC2
(3) 根据镍氢电池串联数量确定反馈电阻R1和R2的阻值。
电池端最高电压可按照1.46Vⅹn确定,其中,n是电池串联数量。所以:
1.46Vⅹn = 1.205ⅹ(1+R1∕R2)
电阻R2值可以在100K欧姆左右。
(4) 根据输入电压范围,电池电压范围和充电电流,估算电感平均电流,也即输入电流。
(5) 根据输入电源特性,输入电源导线长度和输入电流确定输入滤波电容。
(6) 根据输入电压,电感电流和电池最高电压,选择二极管,N沟道和P沟道场效应晶体管。
(7) 根据电感平均电流计算电流检测电阻RCS
(8) 根据所需要的开关频率确定电感值。开关频率最低200KHz,最高1MHz。一般开关频率选择在
300KHz到600KHz之间可以达到比较好的转换效率和电感尺寸平衡。
(9) 根据选定的开关频率和充电电流,确定输出电容。
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设计实例
下表列出了一些典型应用所对应的图 1 和图 2 中的电路参数。由于用户产品的技术要求,应用条件和应
用环境千差万别,下表所列信息是根据典型情况进行计算,仅供参考。用户需要根据产品的具体技术要
求,应用条件和应用环境等因素做差别设计。
下表电路参数都是针对输入电压范围 5V,为 7 节镍氢电池充电应用。
输入电流 或
电感平均电流
0.9A
1.8A
3.6A
5.4A
7.2A
输入滤波电容 C1
10uF,0805
22uF,1206
2 个 22uF,1206
电容并联
3 个 22uF,1206
电容并联
4 个 22uF,1206
电容并联
二极管 D1
SS24 或 SS34
SS24 或 SS34
SS24 或 SS34
SS54 或 1N5824
SS54 或 1N5824
二极管 D2
SS24 或 SS34
SS24 或 SS34
SS24 或 SS34
SS34
SS34
N 沟道 MOS M1
SI2300,SI2302
AO4468
AO4468,
AO4410
AO4410,
NCE3018S
AON7140
P 沟道 MOS M2
SI2301,SI2305
AO4435
AO4435
AO4407A
AO4407A
电流检测电阻
RCS
120mΩ,
0.15W
60 mΩ,0.25W
30 mΩ,0.5W
20 mΩ,1W
15 mΩ,1W
电感 L1
10uH, ISAT>2A
6.8uH,ISAT>3A
3.3uH,ISAT>5A
2.2uH,ISAT>7.5A
2.2uH,ISAT>7.5A
开关频率
560KHz
415KHz
420KHz
420KHz
320KHz
输出滤波电容 Co
10uF,0805
22uF,1206
2 个 22uF,1206
电容并联
3 个 22uF,1206
电容并联
4 个 22uF,1206
电容并联
注:上表中,二极管和场效应晶体管可以选用电参数类似的其他型号。输入滤波电容和输出滤波电容如
果使用电解电容,那么须同电解电容至少再并联一个尺寸 0805 的 10uF 贴片陶瓷电容。
关于电磁干扰(EMI)的抑制
电磁干扰(EMI)同电路设计,外围元器件的选择,PCB设计等因素都有关系。
CN3387 的 LDRV 管脚驱动能力比较强,以满足输出 35 瓦功率的要求。如果选用的外部 N 沟道场效应晶
体管(MOSFET)的栅极总电荷 Qg 比较小,那么 LDRV 管脚的脉冲信号上升时间和下降时间比较短,产生
高频电磁干扰。在这种情况下,需要使用图 1 和图 2 中的电阻 R3,增大 LDRV 管脚的脉冲信号上升时
间和下降时间。
电阻 R3 应该使得 LDRV 管脚的脉冲信号上升时间和下降时间在 60 纳秒左右为宜,尺寸 0603 或 0805。
PCB设计注意事项
良好的 PCB 布线对降低开关损耗和保证稳定的工作非常重要。
⚫ 如果可能的话,尽量使用多层 PCB 布线,以增强抗干扰能力。
⚫ 输入电容的接地端,N 沟道场效应晶体管的源极,输出电容接地端和电池负极要连到 PCB 上同一块
铜皮,然后再返回系统地。此块铜皮要尽量宽,并且与 CN3387 的第 5 管脚分开连接到系统地。
⚫ 为了保证尽可能低的电磁辐射,二极管,N 沟道 MOS 场效应晶体管,电感,输入电容和输出电容
的引线要足够宽,尽量短,连接这些元器件的铜皮的面积要尽量小。
⚫ 电流检测电阻 RCS 要尽量靠近输入电源和输入电源的滤波电容。
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