CN3722

如韵电子 CONSONANCE 具有太阳能电池最大功率点跟踪功能的 5A 多类型电池充电管理集成电路 CN3722 概述: 特点: CN3722( 1)是一款可使用太阳能电池供电的 PWM 降压模式充电管理集成电路，具有太 阳能电池最大功率点跟踪功能。CN3722 非 常适合对单节或多节锂电池或磷酸铁锂电 池的充电管理，具有封装外形小，外围元器 件少和使用简单等优点。 CN3722 具有恒流和恒压充电模式，非常适 合锂电池或磷酸铁锂电池的充电。在恒压充 电模式，恒压充电电压由外部电阻分压网络 设置；在恒流充电模式，充电电流通过一个 外部电阻设置。 对于深度放电的电池，当电池电压低于所设 置的恒压充电电压的66.7%时，CN3722用所 设置的恒流充电电流的15%对电池进行涓 流充电。在恒压充电阶段，充电电流逐渐减 小，当充电电流减小到所设置恒流充电电流 的9.5%时，进入充电结束状态。当输入电源 掉电或者输入电压低于电池电压时， CN3722自动进入低功耗的睡眠模式。 其它功能包括输入低电压锁存，电池温度监 测，电池端过压保护和充电状态指示等。 CN3722 采用 16 管脚 TSSOP 封装。 注                管脚排列: 应用:       宽输入电压范围：7.5V 到 28V 太阳能电池最大功率点跟踪 对单节或多节锂电池或磷酸铁锂 电池进行完整的充电管理 恒压充电电压由外部电阻分压网 络设置 充电电流达 5A PWM 开关频率：300KHz 恒流充电电流由外部电阻设置 对深度放电的电池进行涓流充电 电池温度监测功能 充电状态和充电结束状态指示 软启动功能 电池端过压保护 工作环境温度：－40℃ 到 ＋85℃ 采用 16 管脚 TSSOP 封装 产品无铅，无卤素元素，满足 RoHS 利用太阳能电池充电 笔记本电脑 备用电池应用 便携式工业和医疗仪器 电动工具 独立电池充电器 VG 1 16 DRV PGND 2 15 VCC GND 3 14 BAT CHRG 4 DONE 5 TEMP 6 11 COM3 MPPT 7 10 FB COM1 8 9 COM2 CN3722 13 CSP 12 NC 注 1：已申请专利保护 www.consonance-elec.com 1 Rev 1.1 如韵电子 CONSONANCE 典型应用电路: 输入电源 D1 M1 R CS L C5 100nF C1 C6 D2 15 R1 D3 1 VG VCC CSP R5 CN3722 NC 12 4 CHRG 5 DONE 7 MPPT 6 TEMP R2 NTC R3 13 BAT 14 D4 R8 16 DRV C7 FB 10 COM2 9 COM1 8 COM3 R4 120 11 C2 100nF GND PGND 3 2 图1 R7 C3 470pF R6 C4 220nF 典型应用电路 订购信息: 型号 CN3722 www.consonance-elec.com 工作温度 －40℃ 恒压充电电压 到 ＋85℃ 外部电阻分压网络设置 2 Rev 1.1 BAT 如韵电子 CONSONANCE 管脚描述: 管脚序号 名称 说明 1 VG 内部电压调制器输出。为内部驱动电路提供电源。在 VG 管脚和 VCC 管脚之间接一个 100nF 的电容。 2 PGND 功率地 3 GND 模拟地 4 5 CHRG 漏极开路输出端。在涓流充电状态，恒流充电状态和恒压充电状 态，内部晶体管将此管脚拉到低电平；否则，此管脚为高阻状态。 DONE 漏极开路输出端。在充电结束状态，内部晶体管将此管脚拉到低 电平；否则，此管脚为高阻状态。 TEMP 电池温度监测输入端。在此管脚到地之间连接一个负温度系数的 热敏电阻。 7 MPPT 太阳能电池最大功率点跟踪端。在正常工作时，此管脚电压被调 制到 1.04V(25℃)，温度系数为－0.4%/℃，符合太阳能电池最大 功率点电压的温度系数。此管脚需要接电阻分压网络以检测太阳 能电池的电压。 8 COM1 回路补偿输入端 1。在此管脚到地之间接一个 470pF 的电容。 9 COM2 回路补偿输入端 2。在此管脚到地之间串联连接一个 120Ω 的电 阻和一个 220nF 的电容。 10 FB 11 COM3 12 NC 13 CSP 14 BAT 15 VCC 16 DRV 6 电池电压反馈端。外接电阻分压网络以检测电池电压。 回路补偿输入端 3。在此管脚到地之间接一个 100nF 的电容。 没有连接 充电电流检测正输入端。此管脚和BAT管脚测量充电电流检测电 阻RCS两端的电压，并将此电压信号反馈给芯片进行电流调制。 充电电流检测负输入端。此管脚和CSP管脚测量充电电流检测电 阻RCS两端的电压，并将此电压信号反馈给芯片进行电流调制。 外部电源输入端。VCC 也是内部电路的电源。此管脚到地之间 需要接一个滤波电容。 驱动片外 P 沟道 MOS 场效应晶体管的栅极。 极限参数 VCC，CHRG，DONE 到 GND 的电压………………………－0.3V to 30V VG，DRV 到 VCC 的电压……………………………………8V CSP，BAT 到 GND 的电压………………………………..…－0.3V to 28V COM3 到 GND 的电压…………………………………...…….6.5V 其它管脚到 GND 的电压………………………..........………－0.3V to VCOM3+0.3V 存储温度……………………………………………...……..…－65℃---150℃ 工作环境温度………………………….…………………….…－40℃---85℃ 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。 www.consonance-elec.com 3 Rev 1.1 如韵电子 CONSONANCE 电气特性: （VCC=15V，TA=－40℃ 到 85℃，除非另有注明） 参数 符号 输入电压范围 VCC 7.5 UVLO 4.2 低电压锁存阈值 测试条件 最小 典型 最大 单位 28 V 6 7.3 V 2.2 mA 芯片工作电流 IVCC VBAT ﹥VREG 1.2 1.7 反馈电压 VFB FB 管脚电压，恒压充电模式 2.392 2.416 2.44 V FB 管脚偏置电流 IFB VFB＝2.4V 50 300 nA 电流检测电压 (VCSP－VBAT) VCS 流入 BAT 管脚电流 涓流充电阈值 VBAT＞66.7%×VREG 190 200 210 VBAT＜66.7%×VREG 15 27 42 IBAT VBAT＝12V 5 10 15 uA FB管脚电压上升 66.7% 再充电阈值 VPRE VRE FB管脚电压下降 95.8% 过压阈值 Vov 电池端电压上升 1.06 1.08 1.1 VREG (注 2) 过压释放阈值 Vclr 电池端电压下降 0.98 1 1.02 1.0 1.04 1.08 mV MPPT 管脚 MPPT 管脚调制电压 VMPPT 在最大功率点跟踪状态 VMPPT 温度系数 TCMPPT 在最大功率点跟踪状态 MPPT 管脚偏置电流 IMPPT －0.4% V ／℃ 0 100 nA 42 55 68 uA －100 TEMP 管脚 上拉电流 Iup 比较器高端阈值 Vthh TEMP 管脚电压上升 1.57 1.61 1.65 V 比较器低端阈值 Vthl TEMP 管脚电压下降 0.145 0.175 0.205 V ICHRG ILK1 VCHRG=1V，充电模式 7 IDONE VDONE=1V，充电结束模式 CHRG 管脚 CHRG管脚下拉电流 CHRG管脚漏电流 12 VCHRG=25V，充电结束模式 18 mA 1 uA 18 mA 1 uA DONE 管脚 DONE管脚下拉电流 DONE管脚漏电流 ILK2 7 12 VDONE=25V，充电模式 振荡器 频率 最大占空比 240 fosc Dmax 300 360 94 kHZ % 睡眠模式 睡眠模式阈值 (测量VCC－VBAT) 睡眠模式释放阈值 (测量VCC－VBAT) VSLP VSLPR VCC falling VCC rising, VBAT=8V 0.06 0.1 0.14 VBAT=12V 0.1 0.14 0.18 VBAT=18V 0.18 0.23 0.28 VBAT=8V 0.26 0.32 0.39 VBAT=12V 0.32 0.42 0.52 VBAT=18V 0.38 0.47 0.58 V V DRV 管脚 VDRV 高电平 (VCC－VDRV) VH IDRV＝－10mA 60 mV 电气特性(接上页) www.consonance-elec.com 4 Rev 1.1 如韵电子 参数 VDRV 低电平 (VCC－VDRV) 上升时间 下降时间 CONSONANCE 符号 VL tr tf 测试条件 最小 典型 最大 单位 IDRV＝0mA 5 6.5 8 V Cload＝2nF, 10% to 90% 30 40 65 ns Cload＝2nF, 90% to 10% 30 40 65 ns 注 2：VREG 是在恒压充电模式 BAT 管脚的调制电压 详细描述: CN3722是一款可使用太阳能电池供电的PWM降压模式充电管理集成电路，具有太阳能电池最大功率 点跟踪功能。CN3722具有恒流恒压充电模式，非常适合对单节或多节锂电池或磷酸铁锂电池的充电管理。 恒流充电电流由连接于CSP管脚和BAT管脚之间的电流检测电阻RCS设置，在恒压充电模式，恒压充电电 压由外部电阻分压网络设置。 当VCC管脚电压同时满足下面三个条件时： (1) VCC管脚电压大于低压锁存阈值 (2) VCC管脚电压大于电池电压 (3) VCC管脚电压不小于所设定的最大功率点电压 充电器正常工作，对电池充电。如果电池电压低于所设置的恒压充电电压的66.7%时，充电器自动进入涓 流充电模式，此时充电电流为所设置的恒流充电电流的15%。当电池电压大于所设置的恒压充电电压的 66.7%时，充电器进入恒流充电模式，充电电流由内部的200mV基准电压和一个外部电阻RCS设置，即充 电电流为200mV/RCS。当电池电压继续上升接近恒压充电电压时，充电器进入恒压充电模式，充电电流逐 渐减小，当充电电流减小到所设置的恒流充电电流的9.5%时，进入充电结束状态，此时充电电流为零。 CN3722 有两个状态指示管脚，即充电状态指示管脚 和充电结束指示管脚 。在涓流充电状 态，恒流充电状态和恒压充电状态，漏极开路输出 管脚内部的晶体管接通，输出为低电平；另一个 漏极开路输出 管脚内部的晶体管关断，输出高阻态，以指示充电状态。在充电结束状态，漏极开路 输出 管脚内部的晶体管关断，输出为高阻态；另一个漏极开路输出 管脚内部的晶体管接通， 输出低电平，以指示充电结束状态。 在充电结束状态，如果断开输入电源，再重新接入，将开始一个新的充电周期；如果电池电压下降 到再充电阈值(恒压充电电压的95.8%)，那么也将自动开始新的充电周期。 CN3722采用恒电压法跟踪太阳能电池最大功率点，最大功率点电压通过两个电阻分压后送到MPPT 管脚，在最大功率点跟踪状态，MPPT管脚电压被调制在1.04V，而且MPPT管脚调制电压具有－0.4%℃的 温度系数，同太阳能电池最大功率点电压的温度系数非常吻合。 当输入电压掉电时，CN3722自动进入睡眠模式，内部电路被关断，这样可以减少电池的电流消耗， 延长待机时间。 为了监测电池温度，需要在TEMP管脚和GND管脚之间连接一个10kΩ的负温度系数的热敏电阻。如 果电池温度超出正常范围，充电过程将被暂停，直到电池温度回复到正常温度范围内为止。 CN3722内部还有一个过压比较器，当BAT管脚电压由于负载变化或者突然移走电池等原因而上升时， 如果BAT管脚电压上升到恒压充电电压的1.08倍时，过压比较器动作，关断片外的P沟道MOS场效应晶体 管，充电器暂时停止，直到BAT管脚电压回复到恒压充电电压以下。在某些情况下，比如在电池没有连 接到充电器上，或者电池突然断开，BAT管脚的电压可能会达到过压保护阈值。此为正常现象。 充电电流和充电电压示意图如图 2 所示。 www.consonance-elec.com 5 Rev 1.1 如韵电子 CONSONANCE 涓流充电 恒流充电 恒压充电 恒压充电 电压VREG VREG*66.7% 充电结束 充电电流 电池电压 图 2 充电过程示意图 应用信息 低电压锁存 (UVLO) 芯片内部的低电压锁存电路监测输入电压，当输入电压低于6V(典型值)时，内部电路被关断，充电器不 工作。 恒压充电电压的设置 如图1所示，电池端的电压通过电阻R6和R7构成的电阻分压网络反馈到FB管脚，CN3722根据FB管脚的电 压决定充电状态。当FB管脚的电压接近2.416V时，充电器进入恒压充电状态。在恒压充电状态，充电电 流逐渐下降，电池电压保持不变。 考虑到流入FB管脚的偏置电流，在恒压充电状态电池端对应的的电压为： VBAT＝2.416×(1＋R7／R6)＋IB×R7 其中，IB是FB管脚的偏置电流，其典型值为50nA。 从上式可以看到，FB管脚偏置电流导致电阻分压网络的分压结果存在误差，误差值为IB×R7。假设R7＝ 500KΩ，那么误差值约为25毫伏。所以在设计电阻分压网络时，应该将上述误差考虑在内。 可设置的恒压充电电压应小于25V。 由于电阻R6和R7会从电池消耗一定的电流，在选取R6和R7的电阻值时，应首先根据所允许的消耗的电流 选取R6＋R7的值，然后再根据上式分别计算R6和R7的值。 太阳能电池最大功率点跟踪 CN3722采用恒电压法跟踪太阳能电池的最大功率点。在太阳能电池的伏安特性曲线中，当环境温度一定 时，在不同的日照强度下，输出最大功率的点所对应的输出电压基本相同，亦即只要保持太阳能电池的 输出端电压为恒定电压，就可以保证在该温度下光照强度不同时，太阳能电池能输出最大功率。但是在 环境温度变化时，太阳能电池最大功率点对应的电压随温度大致按照－0.4%／℃的温度系数变化。 在环境温度为25℃时，CN3722太阳能电池最大功率点跟踪端MPPT管脚的电压被调制在1.04V，其温度系 数为－0.4%／℃，配合片外的两个电阻(图1中的R3和R8)构成的分压网络，可以实现对太阳能电池最大 功率点进行跟踪。这种最大功率点跟踪方法非常适合四季温差比较大或者日温差比较大的情形。 在25℃时，太阳能电池最大功率点电压由下式决定： VMPPT＝1.04×(1＋R8／R3) www.consonance-elec.com 6 Rev 1.1 如韵电子 CONSONANCE 用适配器和太阳能电池为CN3722供电 适配器和太阳能电池都可以用来为CN3722供电，因为适配器通常有比较大的电流输出能力，可以对电池 快速充电。在这种情况下，CN3722的充电电流可以根据适配器的输出电流能力设置，当使用太阳能电池 供电时，即使太阳能电池的输出功率很小，CN3722也能自动跟踪太阳能电池的最大功率点，将充电电流 调整到最大功率点的电流。需要注意的是适配器的输出电压应该大于所设置的太阳能电池的最大功率点 电压，否则适配器不能为电池正常充电。 涓流充电 在充电状态，如果电池电压低于所设置的恒压充电电压的66.7%，充电器进入涓流充电模式，此时充电电 流为所设置的恒流充电电流的15%。 充电电流的设置 恒流充电电流由下式决定： 其中： ICH 是恒流充电电流 RCS 是连接于CSP管脚和BAT管脚之间的充电电流检测电阻 充电结束 在恒压充电状态，充电电流逐渐减小，当充电电流减小到所设置的恒流充电电流的9.5%时，CN3722进入 充电结束状态，此时DRV管脚输出高电平，充电电流为零。 自动再充电 充电结束以后，如果输入电源和电池仍然连接在充电器上，由于电池自放电或者负载的原因，电池电压 逐渐下降，当电池电压降低到所设置的恒压充电电压的95.8%时，将开始新的充电周期，这样可以保证电 池的饱满度在90%以上。 电池温度监测 为了监测电池的温度，需要一个紧贴电池的负温度系数的热敏电阻。当电池的温度超出可以接受的范围 时，充电将被暂时停止，直到电池温度回复到正常范围内。 负温度系数的热敏电阻应该连接在TEMP管脚和地之间。在芯片内部，TEMP管脚连接到两个比较器的输 入端，其低电压阈值为175毫伏，对应正常温度范围的上限温度点；高电压阈值为1.6伏特，对应正常温度 范围的下限温度点。 TEMP管脚的上拉电流为50uA，所以负温度系数的热敏电阻值在25℃时应该为10kΩ，在上限温度点时其 电阻值应该大约为3.5kΩ(约对应50℃)；在下限温度点时其电阻值应该大约为32kΩ(约对应0℃)。一些负 温度系数热敏电阻，比如TH11-3H103F，MF52(10 kΩ)，QWX-103和 NCP18XH103F03RB等，都能与 CN3722配合使用。前面所列负温度系数的热敏电阻的型号仅供参考，用户可以根据具体需要选择合适的 型号。 如果在上限温度点和下限温度点处负温度系数热敏电阻值比3.5 kΩ和32kΩ稍微大一点，用户可以通过同 热敏电阻并联一个普通电阻，将正常工作温度范围向下移动；反之，可以同热敏电阻串联一个普通电阻， 将正常工作温度范围向上移动。 如果不用电池温度监测功能，只要在TEMP管脚到地之间接一个10KΩ的电阻即可。 状态指示 CN3722有两个漏极开路状态指示输出端： 管脚和 管脚。在涓流充电状态，恒流充电状态和恒 压充电状态， 管脚被内部晶体管下拉到低电平，在其它状态 管脚为高阻态。在充电结束状态， 管脚被内部晶体管下拉到低电平，在其它状态， 管脚为高阻态。 当电池没有接到充电器时，CN3722将输出电容充电到恒压充电电压，并进入充电结束状态，由于BAT管 脚的工作电流对输出电容的放电效应，BAT管脚的电压将慢慢下降到再充电阈值，CN3722再次进入充电 www.consonance-elec.com 7 Rev 1.1 如韵电子 CONSONANCE 状态，这样在BAT管脚形成一个锯齿波形，同时 输出脉冲信号表示没有安装电池。 当不用状态指示功能时，将不用的状态指示管脚接到地。 表1列明了两个状态指示端口对应的充电器状态。这里假设红色LED连接到 管脚，绿色LED连接到 管脚，其连接方式如图1所示。 管脚 管脚 状态描述 低电平(红色LED亮) 高阻态(绿色LED灭) 充电 高阻态(红色LED灭) 低电平(绿色LED亮) 充电结束 脉冲信号 脉冲信号 没有连接电池 高阻态(红色LED灭) 高阻态(绿色LED灭) 四种可能情况  VCC管脚电压低于低压锁 存电压，或者  VCC管脚电压低于BAT管 脚电压  电池温度异常 表1 状态指示说明 片外功率管驱动 CN3722的DRV管脚用于驱动片外MOS场效应晶体管的栅极，该管脚能够提供比较大的瞬态电流以快速接 通和关断片外MOS场效应晶体管。在驱动2nF的负载情况下，上升时间和下降时间典型值为40nS。一般来 讲，一个导通电阻为50毫欧的MOS场效应晶体管的等效电容大约为2nF。 CN3722内部有钳位电路，以保证DRV管脚的低电平比VCC管脚的电压低8V(最大值)。比如，假设VCC的 电压为20V，那么DRV管脚的低电平为最小12V。这样，一些具有极低导通电阻的低压P沟道MOS场效应 晶体管可以与CN3722配合使用，从而提高了充电器的工作效率。 回路补偿 为了保证电流调制回路和电压调制回路的稳定性，需要下面的回路补偿元件： (1) 从COM1管脚到地之间接一个470pF的电容 (2) 从COM2到地之间串联连接一个120Ω的电阻和一个220nF的瓷片电容 (3) 从COM3到地之间连接一个100nF的瓷片电容 (4) 图1中的电容C7的取值大致按照右式估算：C7＝8×(R6／R7) (pF) 电池连接检查 CN3722没有电池连接检查功能。当电池没有连接到充电器上时，CN3722将输出电容作为电池充电到恒压 充电电压后，进入充电结束状态，由于BAT管脚的工作电流对输出电容的放电效应，BAT管脚的电压将 慢慢下降到再充电阈值，CN3722再次进入充电状态，充电器将在充电状态和充电结束状态之间循环，这 样在BAT管脚形成一个锯齿波形，同时 输出脉冲信号表示没有安装电池。当电池连接端BAT管脚的 外接电容为10uF时，脉冲的频率大约为4Hz。 最好不要在充电器运行时将电池接入充电器，否则充电器可能在短时间内向电池灌入较大电流。 输入和输出电容 输入电容对输入电源起滤波作用，需要吸收在输入电源上产生的纹波电流，所以输入电容必须有足够的 额定纹波电流。在最坏情况下，输入电容的额定RMS纹波电流需要达到充电电流的二分之一。 对输出电容的选择，为了降低输出端的纹波电压和改善瞬态特性，主要考虑串联等效电阻(ESR)。一般来 讲，10uF的输出电容可以满足要求。 电感的选择 在正常工作时，瞬态电感电流是周期性变化的。在P沟道MOS场效应晶体管导通期间，输入电压对电感充 电，电感电流增加；在P沟道MOS场效应晶体管关断期间，电感向电池放电，电感电流减小。电感的纹波 电流随着电感值的减小而增大，随着输入电压的增大而增大。较大的电感纹波电流会导致较大的纹波充 www.consonance-elec.com 8 Rev 1.1 如韵电子 CONSONANCE 电电流和磁损耗。所以电感的纹波电流应该被限制在一个合理的范围内。 电感的纹波电流可由下式估算： 其中： f是开关频率，300KHz L是电感值 VBAT电池电压 VCC是输入电压 在选取电感值时，可将电感纹波电流限制在△IL＝0.4×ICH，ICH 是充电电流。请留意最大电感纹波电流 △IL 出现在输入电压最大值和电感最小值的情况下。所以充电电流较低时，应该选用较大的电感值。 关于电感值的选择，请参考表2： 充电电流 1A 2A 3A 4A 5A 输入电压 电感值 >20V 40uH 20V 30uH 20V 20uH 20V 15uH 20V 10uH