單芯片USB鋰離子/聚合物電池充電器解決方案

目前市場上相當多的超薄便攜式應用采用單節鋰離子/聚合物電池，它們要求一個全功能的、可靠的電池充電器，它能夠提供很好的功能、非常小的體積、非常好的性價比、以及靈活性。AAT3681A可滿足以上所有要求，而且只需要一個外部元件。
　　
　　AAT3681A的封裝尺寸非常小，只有2.0×2.1mm，這使得它非常適合便攜式和超便攜式應用。這一器件是即插即用型充電器設計師能夠得到的最理想器件，它可以幫助設計師節省設計和PCB布板時間，也有助于將產品快速推向市場。
　　
　　AnalogicTech可提供專為便攜式和手持式電池供電應用設計的大量電源轉換解決方案。一個成功設計的最重要特征之一是，器件與目標應用之間的匹配是非常完美的。
　　
　　就AAT3681A來說，現代便攜式應用的功能正在以一個令人瞠目結舌的速度擴展，所有類型的新功能正被添加進去以滿足市場的要求。因此，提供這一器件的目的是把單節鋰離子電池充電器所需的所有功能全部集成在一起，以及最大程度地減小電路設計師的設計工作量。現在他們可以把精力更多地集中在充電器設計的主要目標上，而不是電池充電器設計的非常深入的細節上。
　　
　　AAT3681A Battery Manager是一個高度集成的單節鋰離子/聚合物電池充電器IC，設計用于從一個DC電源或USB口進行充電，輸入電壓可高達7.5V。它只需要一個外部元件就能實現全部的功能。AAT3681A可精確地為4.2V(或4.375V)鋰離子/聚合物電池組調節電池充電電壓和電流。
　　
　　當從AC適配器或USB口充電時，高達300mA的電池充電電流可通過一個外部電阻進行設置。電池充電狀態被不間斷地監測，一旦錯誤情況(如過壓、短路或過熱)發生，該器件將自動關斷，從而保護充電設備、控制系統和處于充電狀態的電池。AAT3681A提供一個狀態監測輸出腳，它通過直接驅動一個外部LED來指示電池充電狀態。
　　
　　AAT3681A采用節省空間的8腳無鉛耐熱SC70JW封裝，占板面積只有2.0×2.1mm，工作溫度范圍為-40℃到+85℃。
　　
　　最近發布的AAT3681A是一個單節電池充電器，它適合很多的應用，包括：1)藍牙耳機；2)DECT耳機；3)數碼相機；4)MP3便攜式音樂播放機、PMP；5)腕表；6)其它鋰離子/聚合物電池供電設備。
　　
　　盡管該器件的設計目的是為了讓充電器的設計變得非常快速、簡單和容易，但它集成了很多特性來幫助優化電池充電性能和PCB布板面積。下面是這些特性和功能的一部分：1)USB或AC適配器系統電池充電器；2)15mA到300mA的可編程充電電流；3)4.0V到7.5V的輸入電壓范圍；4)與內部充電器件的高度集成；5)反向阻塞二極管；6)自動電流感應；7)自動再充定序；8)充滿電自動關斷/睡眠模式/充電終結；9)關機電流小于1uA；10)電池預充、過壓和緊急過熱保護狀態下的自動涓流充電；11)上電復位和軟啟動；12)LED狀態引腳；13)8腳2.0×2.1mm SC70JW封裝。
　　
　　模塊描述
　　
　　單節鋰離子/聚合物電池正在變成便攜式和超便攜式應用的主要選擇。針對這一終端市場而開發的AAT3681A是一個高性能的電池充電器，設計用于從一個外部電源以高達300mA的電流對單節鋰離子/聚合物電池進行充電。這一充電電流可使用一個外部電阻在15mA到300mA的很寬范圍內進行定制。這就允許適配器/USB口在不同的應用中執行快速充電。它是一個獨立的充電解決方案，只需要一個外部元件就可以實現全部功能。這一器件可精確地為4.2V鋰離子/聚合物電池組調節電池充電電壓和電流。

　　
　　圖1：(a) 典型應用框圖；(b) 功能框圖和引腳排列。
　　
　　該器件的額定工作溫度范圍為-40℃到+85℃。在某一給定的恒流充電水平下，當工作環境溫度超出了該器件封裝的功耗能力時，其充電控制將進入熱限制狀態。
　　
　　該器件提供一個狀態監測輸出引腳，它可直接驅動一個外部LED來指示電池充電狀態。器件結溫和充電狀態被充分監測，以防錯誤狀況發生。
　　
　　AAT3681A實現了一個完整的保護系統。在過壓或過溫錯誤狀態發生時，該器件將自動關斷，以保護充電設備、控制系統和充電狀態下的電池。

　充電操作
　　
　　AAT3681A具有針對整個電池充電周期的四種基本充電模式：預充/涓流充電、恒流/快速充電、恒壓充電和充電終結。
　　
　　電池預充
　　
　　在充電開始前，為了確保一個安全的充電環境，AAT3681A會檢查幾個條件。輸入電源必須超過最小工作電壓或欠壓鎖定閾值，才能啟動充電順序。當這些條件都已得到滿足且電池連接到BAT引腳，AAT3681A就檢查電池的狀態。如果電池電壓低于預充電壓閾值，充電控制電路就開始對電池進行預充。電池預充涓流充電電流是快速充電恒流的十分之一。
　　
　　例如，如果可編程快速充電電流是300mA，那么預充電流就是30mA。電池單元預充是針對深度放電電池單元的一種安全預防措施，它也有助于限制導通晶體管上的功耗，因為此時該器件上的電壓差是最大的。恒流充電電池單元預充一直持續到BAT引腳上的電壓超出預充電壓閾值。到達此點后，該器件開始恒流充電階段。恒流充電幅值由用戶通過設置電阻進行編程。AAT3681A一直保持恒流充電模式，一直到電池到達電壓調節點。

　　
　　恒壓充電
　　
　　在恒流快速充電階段，當電池電壓到達輸出充電調節閾值時，系統就進入恒壓充電模式。調節電壓水平在出廠時設置為4.2V(±0.5%)。恒壓模式下的充電電流掉下來，因為充電中的電池單元快到達其最大容量。
　　
　　充電周期終結和再充電順序
　　
　　在恒壓模式下，當充電電流掉到快速充電電流的10%時，該器件就終止充電，并進入睡眠狀態。充電器將保持睡眠狀態，直到電池電壓降到電池再充電壓閾值以下。
　　
　　由于在睡眠狀態下消耗非常低的電流，因此AAT3681A在不充電時可將電池泄露降到最低。這一特性對這樣一些應用來說特別有用，其輸入電源水平可能低于充電電池水平或欠壓鎖定水平。在這些情況下，當AAT3681A輸入電壓下降時，該器件將進入睡眠狀態，一旦輸入電源從錯誤狀態下恢復過來，它再自動恢復充電。

　　散熱考慮
　　
　　AAT3681A采用SC70JW-8封裝，它能夠散發高達687mW的功率，當它被正確地安裝在PCB板上時，并具有最大160℃/W的熱阻。在設計PCB和安排該充電器IC與某一特定應用設計中的其它散熱器件的位置時，有許多因素應當加以考慮。
　　
　　該充電器IC的環境溫度也將對電池充電應用的熱限制有影響。在某一特定環境條件下，可以期望的最大限制可通過以下討論估計出來。

　首先，某一特定環境下的最大功耗可通過下式計算出來：

　　
　　其中：
　　
　　PD(MAX) = 最大功耗(W)
　　
　　θJA = 封裝熱阻(℃/W)
　　
　　TJ(MAX) = 最大器件結溫(℃) [135℃]
　　
　　TA = 環境溫度(℃)
　　
　　其次，功耗可通過下式計算出來：

　　
　　其中：
　　
　　PD = 器件的總功耗
　　
　　VIN = 輸入電壓
　　
　　VBAT = BAT引腳上的電池電壓
　　
　　ICH = 針對某應用編程的恒定充電電流
　　
　　IOP = 在正常工作狀態下充電器IC消耗的靜態電流[0.5mA]
　　
　　通過替代，我們可以推導出在到達熱限制條件(熱循環)前的最大充電電流。該最大充電電流是設計電池充電器應用時的關鍵因素。

　　
　　總之，最壞的情況是充電器IC上的最大電壓降，此時，電池電壓被充電到預充電壓閾值。
　　
　　保護電路；過壓保護
　　
　　一個過壓事件的定義為：BAT引腳上的電壓超過最大電池充電電壓，并被設定在過壓保護閾值。如果一個過壓事件發生，AAT3681A充電控制電路將關斷該器件，直到BAT引腳上的電壓掉到OVP電壓水平以下。AAT3681A在過壓狀態消除后，再恢復正常的充電操作。
　　
　　保護電路；過熱關斷
　　
　　AAT3681A有一個熱保護控制電路，一旦內部裸片溫度超過預置的熱限制閾值，它就關斷充電功能。一旦內部裸片溫度掉到熱限制以下，就自動恢復到以前的正常充電狀態。
　　
　　充電電流的可編程性
　　
　　用戶可借助一個放在ISET引腳與地之間的設置電阻編程設定恒流充電水平。快速充電精度和預充涓流充電電流，由使用的設置電阻的容差決定。因此，推薦采用1%容差的金屬薄膜電阻。快速充電恒流電流范圍從15mA到300mA。
　　
　　結論
　　
　　AAT3681A可以即插即用方式提供電池充電器全部功能。它只需要一個外部元件就可以進行全部操作。該器件可提供極出的性價比。2mm×2.1mm的小占板面積可節省PCB空間。該器件適合各種不同應用，從藍牙耳機、MP3播放器到腕表。AAT3681A是AnalogicTech公司不同復雜度和類別產品大家庭的最新成員。