如韵电子
CONSONANCE
具有太阳能电池最大功率点跟踪功能的
4A 多节电池充电管理集成电路
CN3795
概述:
特点:
CN3795 是一款可使用太阳能板供电的 PWM 降
压模式多节电池充电管理集成电路,独立对多节
电池充电进行管理,具有封装外形小,外围元器
件少和使用简单等优点。
CN3795 具有涓流,恒流和恒压充电模式,非常
适合锂电池,磷酸铁锂电池和钛酸锂电池充电管
理。在恒压充电模式,CN3795 将电池电压调制
在外部反馈电阻所设置的电压;在恒流充电模式,
充电电流通过一个外部电阻设置。当用太阳能板
供电时,内部电路能够自动跟踪太阳能板的最大
功率点,用户不需要考虑最坏情况,可最大限度
地利用太阳能板的输出功率,非常适合利用太阳
能板供电的应用。
对于深度放电的锂电池,当电池电压低于恒压充
电电压的66.5%(典型值)时,CN3795用所设置的
恒流充电电流的17.5%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
降低到恒流充电电流的16%时,充电结束。在充
电结束状态,如果充电电流再上升到恒流充电电
流的58.8%以上,自动开始新的充电周期。当输
入电源掉电或者输入电压低于电池电压时,
CN3795自动进入睡眠模式。
其它功能包括输入低电压锁存,电池端过压保护
和充电状态指示等。
CN3795 采用 10 管脚 SSOP 封装。
管脚排列:
1
10 DRV
GND
2
9 VCC
CHRG
3
COM
手持设备
应急灯
备用电池应用
便携式工业和医疗仪器
电动工具
锂电池,磷酸铁锂电池和钛酸锂电池充电
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VG
MPPT 4
应用:
太阳能板最大功率点跟踪功能
可对单节或多节锂电池,磷酸铁锂电池
或钛酸锂电池进行完整的充电管理
宽输入电压范围:6.6V 到 30V
电池没有连接时,可作为恒压源使用
充电电流可达 4A
PWM 开关频率:310KHz
恒压充电电压由外部电阻设置
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
自动再充电功能
充电状态指示
软启动功能
电池端过压保护
工作环境温度:-40℃ 到 +85℃
采用 10 管脚 SSOP 封装
产品无铅,满足 Rohs,不含卤素
1
5
CN3795
8 CSP
7 BAT
6 FB
Rev 1.0
如韵电子
CONSONANCE
典型应用电路:
输入电源
D1
M1
C2
100nF
C1
RCS
L
*
C3
D2
9
BAT
10
DRV
1
VG
VCC
CSP
R3
8
BAT 7
CN3795
R5
D3
FB 6
R1
COM 5
3 CHRG
R4
120
4 MPPT
GND
2
R6
R2
C4
220nF
*: 二极管D1可以不用,详情请参考第9页"二极管的选择”
和”睡眠模式电池电流”部分
图1
典型应用电路
订购信息:
型号
包装
工作环境温度
CN3795
盘装,每盘 3000 只
-40℃ 到 +85℃
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2
Rev 1.0
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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 管脚之间需要接一个 100nF 的电容。
2
GND
3
CHRG
地。输入电源的负输入端和电池负极。
充电状态指示端。漏极开路输出。在充电状态,内部晶体管将此
管脚拉到低电平;否则,此管脚为高阻状态。
4
MPPT
太阳能板最大功率点跟踪端。在太阳能板最大功率点跟踪状态,
此管脚电压被调制到 1.205V。此管脚需要外接电阻分压网络以
检测太阳能板的电压。
5
COM
回路补偿输入端。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。
6
FB
电池电压反馈输入端。外接电阻分压网络以检测电池电压。
电池正极连接端和充电电流检测负输入端。此管脚连接到电池
7
BAT
的正极。同时,此管脚和CSP管脚用于测量电流检测电阻RCS两
端的电压,并将此电压信号反馈给CN3795进行电流调制。
充电电流检测正输入端。此管脚和BAT管脚用于测量电流检测电
阻RCS两端的电压,并将此电压信号反馈给CN3795进行电流调
制。
8
CSP
9
VCC
外部电源正极输入端。VCC 也是内部电路的电源。此管脚到地
之间需要接滤波电容。
10
DRV
栅极驱动端。驱动片外 P 沟道 MOS 场效应晶体管的栅极。
极限参数
VCC,CHRG 到 GND 的电压…………………….………………….…-0.3V to 33V
VG,DRV 管脚到 VCC 管脚电压………………………..………-8V to VCC+0.3V
CSP,BAT 到 GND 的电压………………………………….………..…-0.3V to 27V
MPPT,COM,FB 到 GND 的电压………..…..…………..………..…-0.3V to 6.5V
存储温度………………………………………………….…...……..…-65℃到 150℃
工作环境温度………………………….………………………..…….…-40℃到 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。
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3
Rev 1.0
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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
低电压锁存阈值
测试条件
最小
典型
6.6
UVLO
最大
单位
30
伏特
4
5.2
6.5
伏特
1.0
1.3
毫安
1.205
1.22
伏特
60
300
纳安
芯片工作电流
IVCC
VBAT>VREG
0.7
FB 管脚反馈电压
VREG
恒压充电模式
1.193
FB 管脚偏置电流
IFB
电流检测
VCS
VFB=1.2V
VBAT>VPRE,VCSP-VBAT
110
120
130
VBAT<VPRE,VCSP-VBAT
10
21
36
10
15
毫伏
IBAT1
充电结束模式,VBAT=7.4V
IBAT2
睡眠模式,VBAT=7.4V
涓流充电阈值
VPRE
BAT管脚电压上升
涓流充电阈值迟滞
BAT管脚电压下降
2.5
%VREG
充电结束阈值
HPRE
Iterm
充电电流下降
16
%ICC
再充电阈值
VRE
充电电流上升
58.8
%ICC
过压阈值
Vov
BAT 管脚电压上升
1.04
1.07
1.1
过压释放阈值
Vclr
BAT 管脚电压下降
1.0
1.02
1.04
ICHRG
ILK1
VCHRG=1V,充电状态
7
12
18
毫安
1
微安
MPPT 管脚调制电压
VMPPT
在最大功率点跟踪状态
MPPT 管脚电流
IMPPT
-100
fosc
Dmax
260
流入 BAT 管脚电流
15
64
66.5
69
微安
%VREG
VREG
CHRG 管脚
CHRG管脚下拉电流
CHRG管脚漏电流
VCHRG=30V,充电结束状态
MPPT 管脚
1.18
1.205
1.23
V
0
100
nA
310
360
kHZ
振荡器
频率
最大占空比
94
%
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)
DRV 管脚
VSLP
VCC falling
VBAT=8V
0.0
0.05
0.1
伏特
VSLPR
VCC rising,
VBAT=8V
0.2
0.32
0.46
伏特
VDRV 高电平
(VCC-VDRV)
VH
IDRV=-10mA
60
毫伏
VDRV 低电平
(VCC-VDRV)
VL
IDRV=0mA
6.3
伏特
上升时间
下降时间
tr
tf
Cload=2nF, 10% to 90%
30
40
65
纳秒
Cload=2nF, 90% to 10%
30
40
65
纳秒
注:VREG 表示恒压充电电压;ICC 表示恒流充电电流。
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详细描述:
CN3795是一款可使用太阳能板供电的PWM降压型多节电池充电管理集成电路,可用于单节或多节锂电池,
磷酸铁锂电池或钛酸锂电池的充电管理。CN3795具有涓流,恒流和恒压充电模式。恒流充电电流由CSP管脚
和BAT管脚之间的电流检测电阻RCS设置。恒压充电电压通过连接于FB管脚的反馈电阻设置。
当VCC管脚电压大于低压锁存阈值,并且大于电池电压时,CN3795正常工作。如果电池电压低于涓流充电阈
值,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17.5%。当电池电压大于涓流
充电阈值,充电器进入恒流充电模式,此时充电电流由内部的120mV基准电压和一个外部电阻RCS设置,即
充电电流为120mV/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。在充电状态,漏极开路输出
管脚内部的晶体管导通,输出低电平,以指示充电状态。当充电电
流减小到恒流充电电流的16%时,充电结束,DRV管脚输出高电平。漏极开路输出
管脚内部的晶体管关
断,输出为高阻态,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;如果充电电流再上升到再充
电阈值以上,那么也将自动开始新的充电周期。
CN3795可以使用太阳能板供电,具有太阳能板最大功率点跟踪功能。太阳能板最大功率点电压通过两个电阻
分压后反馈到MPPT管脚,在最大功率点跟踪状态,MPPT管脚电压被调制在1.205V(典型值)。
当输入电压掉电时,CN3795自动进入睡眠模式,内部电路被关断。
CN3795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1.07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的1.02倍以下。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。
涓流充电
恒流充电
恒压充电
VREG
Vpre
充电结束
充电电流
电池电压
图 2 充电过程示意图
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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6.5V(最大值)时,内部电路被关断,CN3795被禁
止工作。
涓流充电
在充电状态,如果电池电压低于恒压充电电压的66.5%(典型值)时,充电器进入涓流充电模式,此时充电电流
为恒流充电电流的17.5%。
恒流充电电流的设置
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管脚之间的电流检测电阻
设置恒压充电电压
如图1所示,电池端的电压通过电阻R1和R2构成的电阻分压网络反馈到FB管脚,CN3795根据FB管脚的电压
决定充电状态。当FB管脚的电压接近1.205V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=1.205×(1+R1/R2)+IB×R1
其中,IB是FB管脚的偏置电流,其典型值为60nA。
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×R1。假设R1=
500KΩ,那么误差值约为30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不能大于25V。
由于电阻R1和R2会从电池消耗一定的电流,在选取R1和R2的电阻值时,应首先根据所允许消耗的电流选取
R1+R2的值,然后再根据上式分别计算R1和R2的值。
太阳能电池最大功率点跟踪
CN3795采用恒电压法跟踪太阳能板的最大功率点。在太阳能板的伏安特性曲线中,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板的输出端电压为恒
定电压,就可以保证在该温度下光照强度不同时,太阳能板输出最大功率。
CN3795太阳能板最大功率点跟踪端MPPT管脚的电压被调制在1.205V,配合片外的两个电阻(图1中的R5和R6)
构成的分压网络,可以实现对太阳能板最大功率点进行跟踪。
太阳能板最大功率点电压由下式决定:
VMPPT=1.205×(1+R5/R6)
充电结束
在恒压充电模式,充电电流逐渐下降,当充电电流下降到恒流充电电流的16%时,充电过程结束,
管脚
输出高阻态,指示充电结束。此时CN3795继续以恒压方式对电池充电,以保证电池充满。
当电池电压低于恒压充电电压的95.8%时,即使充电电流下降到恒流充电电流的16%,充电过程也不结束。也
就是说,充电结束有两个条件,一个是电池电压大于恒压充电电压的95.8%;另一个条件是充电电流下降到
恒流充电电流的16%。
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,导致充电电流
上升到恒流充电电流的58.8%以上时,CN3795自动进入充电状态,开始新的充电周期。
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状态指示
CN3795有一个漏极开路状态指示输出端:
管脚。在充电状态,
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。
当电池没有接到充电器时,CN3795可作为电压源输出恒定电压,电压值为所设置的恒压充电电压,此时
管脚为高阻态。
当不用状态指示功能时,将
管脚接到地。
表1列明了
管脚对应的充电器状态。这里假设红色LED连接到
管脚,其连接方式如图1所示。
管脚
状态描述
低电平(红色LED亮)
充电
三种可能情况
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,或者
充电结束
高阻态(红色LED灭)
表1 状态指示说明
片外功率管驱动
CN3795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开启
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30nS。一般来讲,
一个导通电阻为35毫欧,30V的MOS场效应晶体管的等效电容大约为2nF。
CN3795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CN3795配合使用,从而提高了充电器的工作效率,客户也有更多的选择。
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,需要从COM到地之间串联连接一个120Ω的电阻和一个
220nF的瓷片电容。
CN3795作为恒压源使用
当电池没有连接到充电器上时,CN3795可作为恒压源使用,其输出电压值为所设置的恒压充电电压,最大输
出电流为所设置的恒流充电电流。
输入电容
输入电容(图1中的C1)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。同时为
了抑制寄生电感等在开关瞬间产生的高频振荡,输入电容最好由下面三个电容并联组成:
电解电容:电容值由输入电源的特性和充电电流等因素决定
陶瓷电容:电容值在1uF到10uF
高频陶瓷电容:电容值在47nF到1uF
输出电容
为了降低输出端的纹波电压和改善瞬态特性,输出电容(图1中的C3)应该选择串联等效电阻(ESR)较小的电容。
输出电容最好由下面两个电容并联组成:
电解电容:电容值10uF
陶瓷电容:电容值在1uF到10uF
如果输出电容只能使用陶瓷电容,须留意有些陶瓷电容的电压系数比较大,有效电容值变低,在电池没有连
接时BAT管脚电压可能过高,在这种情况下,应该适当增大输出电容值或用几个小容值的陶瓷电容并联,以
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保证在电池没有连接时,BAT管脚电压在安全范围内。
电感的选择
在正常工作时,电感瞬态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≤0.3×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。
除了上述的公式,电感值应该同时满足下面公式要求:
为保证有较低的电磁辐射,电感最好为贴片式屏蔽电感。
MOSFET的选择
CN3795的应用电路需要使用一个P沟道MOS场效应晶体管。选择该MOS场效应晶体管时应综合考虑转换效
率,MOS场效应晶体管功耗以及最高温度。
在芯片内部,栅极驱动电压被钳位在6.3V(典型值),可以使用低开启电压的P沟道MOS场效应晶体管。所以需
要留意该MOS场效应晶体管的击穿电压BVDSS要大于最高输入电压。
选择P沟道MOS场效应晶体管时需要考虑的因素包括导通电阻Rds(on),栅极总电荷Qg,反向传导电容CRSS,
输入电压和最大充电电流。
MOS场效应晶体管的最大功耗可以用下式来近似:
其中:
Pd是MOS场效应晶体管的功耗
VBAT是电池的最高电压
VCC是最小输入电压
Rds(on)是P沟道场效应晶体管在室温(25℃)条件下的导通电阻
ICH是充电电流
dT是P沟道MOS场效应晶体管的实际温度与室温(25℃)的温度差
除了前面公式所描述的导通损耗I2Rds(on)外,MOS场效应晶体管还有开关损耗,开关损耗随着输入电压的增
加而增加。一般来讲,在输入电压小于20V时,导通损耗大于开关损耗,应该优先考虑导通电阻比较小的MOS
场效应晶体管;在输入电压大于20V时,开关损耗大于导通损耗,应该优先考虑反向传导电容CRSS比较小的
MOS场效应晶体管。一般CRSS的值在MOS场效应晶体管的技术规格书中都有列明,如果没有明确列明该电容
值,可由公式CRSS = QGD/ΔVDS来估算。
很多型号的MOS场效应晶体管,比如CN2305,4435,4459,9435(或9435)和3407A,都可以选用。前面所列
MOS场效应晶体管的型号仅供参考,用户需要根据具体要求来选用适合的型号。
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二极管的选择
在典型应用电路图1中的二极管D1和D2均为肖特基二极管。这两个二极管通过电流能力至少要比充电电流大;
二极管的耐压要大于最高输入电压的要求。
二极管D1和D2的选择原则为够用即可,如果所选用二极管的通过电流能力或耐压远远超过所需要的值,由于
这样的二极管具有较高的结电容,将增加充电器的开关损耗,降低效率。
二极管D1用来作阻流二极管,防止在输入电源掉电时消耗电池的能量。在睡眠模式,如不用二极管D1,CN3795
消耗的电池电流大约51微安,所以可根据电池容量等因素考虑不用二极管D1。
睡眠模式电池电流
在图1所示的典型应用电路中,当输入电压掉电或者输入电压低于电池电压时,CN3795进入睡眠模式。在睡
眠模式电池消耗的电流包括:
(1) 流入BAT管脚和CSP管脚的电流,大约为10uA(VBAT=8V)
(2) 从电池端经过阻流二极管D1流到输入电压端的电流,此电流由二极管D1的漏电流决定;
如果不用二极管D1,电池电压通过电感,MOS场效应晶体管的体二极管施加到CN3795的VCC管脚,流
入VCC管脚电流大约42uA(VBAT=8V)。
(3) 从电池端经过二极管D2流到地(GND)的电流,此电流由二极管D2的漏电流决定。
关于高频振荡的抑制
在高输入电压或大充电电流的情况下,如果PCB布局布线不合理,或者二极管,P沟道场效应晶体管的寄生电
感比较大,在P沟道场效应晶体管导通或关断瞬间,会产生几十兆赫兹以上的高频振荡,用示波器可以在输
入电源的正极和二极管D2的负极观测到高频振荡波形。
为了抑制高频辐射,除了改进PCB布局布线以外,还可以增加高频抑制电路,如图3中的R5和C5。
输入电源
D1
M1
C2
100nF
C1
RCS
L
R5
C3
D2
9
1
VG
C5
10
DRV
BAT
VCC
CN3795
CSP
8
BAT 7
GND
2
FB 6
图3 高频振荡抑制
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设计PCB的考虑
良好的PCB设计对于保证CN3795正常工作,降低电磁辐射和提高转换效率非常重要。针对图1中的电路,设
计PCB时需要考虑下面几点:
(1) 输入滤波电容正极要靠近P沟道MOS场效应晶体管的源极;
(2) 二极管D1和D2须靠近电感,电流检测电阻须靠近电感;
(3) 输出电容须靠近电流检测电阻;
(4) 输入滤波电容,P沟道MOS场效应晶体管,二极管D1和D2,电感,电流检测电阻和输出滤波电容的引线
要尽量短;
(5) 电阻R1,R2,R4,R5,R6和电容C4要尽量靠近CN3795;
(6) 在CN3795的GND管脚,电阻R2,R6接地端和COM管脚的回路补偿元件的接地端要单独接到系统地,这
样可以避免开关噪声影响回路的稳定性。输入电容的接地端,二极管D2的正极和输出电容的接地端要先
接到同一块铜皮再返回系统地。此点对保证CN3795正常工作非常重要。
(7) 电流检测电阻RCS的放置方向要保证从芯片的CSP管脚和BAT管脚到RCS的连线比较短。CSP管脚和BAT管
脚到RCS的连线要在同一层次上,而且距离要尽可能小。为了保证充电电流检测精度,CSP管脚和BAT管
脚要直接连接到电流检测电阻上。如图4所示。
图 4 充电电流的检测
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封装信息
本文中所描述的电路仅供参考,上海如韵电子有限公司对使用本文中所描述的电路不承担任何责任。上海如
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- 1000+2.22480