MCP73831/2：小巧而强大的单节锂电池充电管理控制器

在电子设备的设计中，电池充电管理是一个关键环节，尤其是对于锂电池和锂聚合物电池。Microchip的MCP73831/2单节锂电池充电管理控制器以其高度集成、紧凑的设计和丰富的功能，成为空间受限、成本敏感应用的理想选择。今天，我们就来深入了解一下这款控制器。

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产品概述

MCP73831/2是高度先进的线性充电管理控制器，适用于对空间和成本有严格要求的应用场景。它有8引脚、2mm x 3mm DFN封装和5引脚、SOT - 23封装两种选择，不仅物理尺寸小，而且所需的外部组件数量少，非常适合便携式应用。同时，对于从USB端口充电的应用，MCP73831/2完全符合USB电源总线的所有规格。

主要特性

集成设计

• 线性充电管理：集成了传输晶体管和电流检测功能，还具备反向放电保护，简化了电路设计。
• 高精度预设电压调节：电压调节精度高达±0.75%，提供4.20V、4.35V、4.40V和4.50V四种电压调节选项，满足不同电池的充电需求。

灵活的充电参数设置

• 可编程充电电流：充电电流可在15 mA至500 mA之间进行编程，通过一个外部电阻即可设置恒定电流值。
• 可选的预充电和充电终止控制：预充电阈值和电流值、充电终止值和自动再充电阈值都有多种选项可供选择，预充电可以设置为10%、20%、40%或禁用，充电终止可以设置为5%、7.5%、10%或20%。

状态指示与保护功能

• 充电状态输出：MCP73831提供三态输出，MCP73832提供开漏输出，方便连接LED或与主机微控制器接口。
• 自动掉电和热调节：当输入电压低于特定阈值时，自动进入掉电模式，避免电池放电；同时，根据芯片温度限制充电电流，优化充电周期时间，保证设备可靠性。
• 宽温度范围：工作温度范围为 - 40°C至 + 85°C，存储温度范围为 - 65°C至 + 150°C，适应各种恶劣环境。

电气特性

绝对最大额定值

• 电源电压：VDD最大为7.0V，所有输入和输出相对于VSS的电压范围为 - 0.3V至 (VDD + 0.3)V。
• 结温：内部限制，存储温度范围为 - 65°C至 + 150°C。
• ESD保护：人体模型（1.5 kΩ串联100 pF）≥ 4 kV，机器模型（200 pF，无串联电阻）为400V。

DC特性

• 电源输入：电源电压范围为3.75V至6V，不同工作状态下的电源电流有所不同，如充电时典型值为510 µA，充电完成且无电池时为200 µA等。
• 电压调节：在恒压模式下，不同型号的调节输出电压不同，如MCP7383X - 2为4.20V（±0.032V），同时具备良好的线路调节和负载调节性能。
• 电流调节：在快速充电恒流模式下，充电电流可通过PROG引脚连接的电阻进行调节，如PROG = 10 kΩ时，充电电流典型值为100 mA。

AC特性

包括UVLO启动延迟、预充电模式转换时间、电流上升时间、终止比较器滤波时间和充电比较器滤波时间等参数，确保充电过程的稳定性和可靠性。

工作原理与流程

欠压锁定（UVLO）

内部UVLO电路持续监测输入电压，当输入电压低于阈值时，充电器进入关机模式，直到输入电压上升到高于阈值。该电路具有100 mV的迟滞，保证系统的稳定性。

电池检测

通过(V{BAT})引脚提供6 µA（典型值）的电流来检测电池是否存在。如果(V{BAT})电压上升到(V_{REG}+100 mV)（典型值），则认为电池不存在；否则，认为检测到电池。

充电流程

1. 充电资格判断：要开始充电，必须满足所有UVLO条件，且有电池或输出负载存在，同时PROG引脚需连接充电电流编程电阻。
2. 预充电：当(V{BAT})引脚电压低于预充电阈值时，进入预充电模式，以一定比例的充电电流为电池充电，直到(V{BAT})电压上升到阈值以上。
3. 快速充电恒流模式：预充电完成后，进入恒流模式，以编程设定的充电电流为电池充电，直到(V{BAT})引脚电压达到调节电压(V{REG})。
4. 恒压模式：当(V{BAT})引脚电压达到(V{REG})时，进入恒压模式，保持电压稳定，同时充电电流逐渐减小。
5. 充电终止：当恒压模式下的平均充电电流减小到低于编程充电电流的一定百分比时，充电周期终止，进入充电完成模式。
6. 自动再充电：在充电完成模式下，持续监测(V_{BAT})引脚电压，如果电压下降到低于再充电阈值，将启动另一个充电周期。

应用设计要点

应用电路设计

• 组件选择
  • 电流编程电阻（RPROG）：根据锂电池的容量和充电需求选择合适的电阻，以设置最佳的快速充电电流。
  • 输入过压保护（IOVP）：对于热插拔的输入电源，如USB电缆和墙式电源，需要使用输入过压保护，可通过连接瞬态抑制二极管来吸收电压瞬变。
  • 热考虑：线性充电效率较低，在设计时需要考虑热设计和成本。最坏情况下的功率耗散发生在输入电压最大且从预充电模式转换到恒流模式时，可通过选择合适的封装和散热措施来优化。
  • 外部电容：为了保证恒压模式下的交流稳定性，建议在(V{BAT})引脚和(V{SS})之间连接至少4.7 µF的电容。
  • 反向阻断保护：MCP73831/2提供输入故障或短路保护，防止电池通过内部传输晶体管的体二极管放电。
  • 充电禁止：可以通过PROG引脚控制充电的启动和终止，当PROG引脚浮空或施加逻辑高电平信号时，设备禁用，充电周期终止。
  • 充电状态接口：充电状态输出可用于点亮外部LED或与主机微控制器接口，方便用户了解充电状态。

PCB布局问题

为了实现最佳的电压调节，应将电池组尽可能靠近设备的(V{BAT})和(V{SS})引脚，以减少高电流PCB走线的电压降。如果使用PCB作为散热片，在散热垫上添加多个过孔可以帮助将热量传导到PCB背板，降低最大结温。

总结

MCP73831/2单节锂电池充电管理控制器以其丰富的功能、灵活的参数设置和紧凑的设计，为锂电池充电管理提供了一个优秀的解决方案。在实际应用中，电子工程师可以根据具体需求选择合适的型号和封装，并注意应用电路设计和PCB布局的要点，以确保充电系统的稳定性和可靠性。你在使用类似的充电管理控制器时遇到过哪些问题呢？欢迎在评论区分享你的经验。