LT3650-4.1/LT3650-4.2：高性能单节锂离子电池充电器的设计与应用

在电子设备的设计中，电池充电器的性能至关重要，它直接影响着设备的充电速度、安全性和电池寿命。今天，我们将深入探讨 Linear Technology 公司推出的 LT3650-4.1/LT3650-4.2 单节锂离子/聚合物电池充电器，了解它的特点、工作原理、应用信息以及典型应用。

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一、产品特点

1. 宽输入电压范围

LT3650 能够在 4.75V 至 32V 的输入电压范围内工作，绝对最大输入电压可达 40V，这使得它适用于各种不同的电源环境，如工业手持仪器、12V 至 24V 的汽车和重型设备等。

2. 可编程充电电流

最大充电电流可通过外部电流检测电阻进行编程，最高可达 2A，满足不同电池的充电需求。

3. 用户可选的充电终止方式

支持 C/10 终止和板载终止定时器两种方式，用户可以根据实际需求进行选择。

4. 动态充电速率编程和软启动功能

通过 RNG/SS 引脚可以动态调整最大充电电流，并实现软启动功能，减少充电过程中的电流冲击。

5. 可编程输入电流限制

通过 CLP 引脚可以设置系统输入电流限制，确保充电器在多负载系统中的稳定性。

6. 高精度充电控制

具有 0.5%的浮充电压精度、5%的充电电流精度和 2.5%的 C/10 检测精度，保证了电池充电的准确性和安全性。

7. 温度监测功能

通过 NTC 引脚连接负温度系数热敏电阻，可以监测电池温度，当温度超出安全范围时，自动停止充电并发出故障信号。

8. 自动充电和预充电功能

当电池电压下降到一定程度时，自动重新启动充电；当电池电压低于 70%浮充电压时，自动进入预充电模式。

9. 坏电池检测和自动复位功能

能够检测出坏电池，并在检测到坏电池时自动停止充电，当更换电池后自动重新启动充电。

10. 小型封装

提供 3mm × 3mm DFN-12 或 MSOP-12 封装，节省电路板空间。

二、工作原理

1. 平均电流模式控制

LT3650 采用平均电流模式控制架构，直接控制平均充电电流。通过 BAT 引脚感测充电器输出电压，与内部浮充电压参考进行比较，经过电压误差放大器和电流误差放大器的处理，控制充电器的开关，实现恒流/恒压充电。

2. 充电过程

• 预充电模式：当检测到电池电压非常低时，自动进入预充电模式，充电电流降低到编程最大电流的 15%。
• 恒流充电模式：当电池电压上升到预充电阈值以上时，进入恒流充电模式，充电电流保持恒定。
• 恒压充电模式：当电池电压接近浮充电压时，进入恒压充电模式，充电电流逐渐减小。
• 充电终止：可以选择 C/10 终止或定时器终止方式。C/10 终止是当充电电流下降到编程最大电流的十分之一时停止充电；定时器终止是在设定的时间到达后停止充电。

三、应用信息

1. 输入电源

LT3650 通过 (V{IN}) 引脚直接连接充电器输入电源，需要使用高质量、低 ESR 的去耦电容来减少电压波动。输入电容的 RMS 纹波电流额定值应满足 (CVIN(RMS) sim I{CHG(MAX)} cdotleft(frac{V{BAT}}{V{IN}}right) cdotleft(left[frac{V{IN}}{V{BAT}}right]-1right)^{frac{1}{2}})，在 (V{IN }=2 cdot V{BAT }) 时达到最大值 (I_{CHG(MAX)} / 2)。

2. BOOST 电源

BOOST 引脚为开关驱动提供自举电源，工作范围为 0V 至 4.5V（相对于 SW 引脚）。需要连接一个 1µF 或更大的电容到 SW 引脚，并通过二极管刷新去耦电容上的电压。

3. 启动要求

LT3650 的启动电压要求为 (V{IN } ≥7.5 ~V) 或 ((V{BOOST}-V{SW})>2 ~V)。在低 (V{IN }) 应用中，可以使用外部电源为 BOOST 电源供电，以消除 (V_{IN }) 启动要求。

4. 电池输出去耦

需要在 BAT 引脚和地之间连接一个 10µF 的陶瓷电容进行旁路。在某些应用中，可能需要额外的旁路电容来满足系统负载的需求。

5. 充电电流编程

通过选择合适的电感检测电阻 (R{SENSE}) 来设置最大充电电流，满足 (R{SENSE}=frac{0.1}{I_{MAX(AVG)}})。

6. 电感选择

电感值的选择主要考虑电感中的纹波电流，可根据公式 (L=left(frac{10}{Delta I{MAX }}right) cdot R{SENSE } cdotleft(V{BAT }+V{F}right) cdotleft(1-left[frac{V{BAT }+V{F}}{V{IN(MAX)}+V{F}}right]right)(mu H)) 进行估算。同时，电感的饱和电流应不低于 ((1+ Delta I{MAX} / 2) cdot I{MAX})，RMS 额定值应高于 (I_{MAX})。

7. 整流器选择

整流二极管应选择肖特基二极管，以降低功率损耗和提高效率。其额定反向电压应大于最大 (V{IN}) 电压，最小平均电流额定值应满足 (DIODE(MAX) >frac{I{MAX } cdotleft(V{IN(MAX) }-V{BAT(PRE)}right)}{V_{IN(MAX) }})。

8. 系统电流限制

通过选择合适的检测电阻 (R{CLP}) 来设置最大输入电源电流，满足 (R{CLP}=frac{0.05}{I_{MAX(IN)}})。

9. 动态充电电流调整

通过 RNG/SS 引脚可以动态调整最大充电电流，其电压对应于检测电阻 (R_{SENSE}) 上最大电压的十倍。可以通过连接一个合适的电阻到地来设置电流控制电压。

10. 软启动功能

RNG/SS 引脚还支持软启动功能，通过连接一个电容到地，可以实现充电电流从 0 到编程最大值的线性上升。

11. 状态引脚

LT3650 通过 CHRG 和 FAULT 两个开漏输出引脚报告充电器状态。CHRG 引脚指示充电器是否正在以大于 C/10 速率充电，FAULT 引脚指示坏电池和 NTC 故障。

12. 充电终止方式

支持 C/10 终止和定时器终止两种方式。C/10 终止是当充电电流下降到编程最大电流的十分之一时停止充电；定时器终止是在设定的时间到达后停止充电。

13. 预充电和坏电池故障

当电池电压低于预充电阈值时，进入预充电模式，充电电流限制为编程最大电流的 15%。当使用内部定时器进行终止时，会进行坏电池检测，如果电池在预充电模式下超过八分之一的定时器周期仍未达到预充电阈值，则触发坏电池故障。

14. 电池温度故障

通过 NTC 引脚连接负温度系数热敏电阻，可以监测电池温度。当温度超出 0°C 至 40°C 的范围时，触发 NTC 故障，停止充电并发出故障信号。

15. 热折返保护

LT3650 具有热折返保护功能，当 IC 结温接近 125°C 时，会降低最大充电器输出电流，以保护芯片。

16. 布局考虑

在 PCB 布局时，应尽量缩短开关节点（Pin SW）的走线长度，减少高频噪声。输入电容应靠近 IC 放置，BOOST 去耦电容也应靠近 IC。SENSE 和 BAT 走线应一起布线，并尽量缩短长度，建议使用接地屏蔽这些信号。同时，应将高电流路径和瞬态与电池地隔离，以确保准确的输出电压参考。

四、典型应用

1. 5V 至 32V 1.5A 充电器

采用三小时 EOC 终止方式，使用 LTC1515 提供 BOOST 启动要求，状态引脚使用 LED 指示灯。

2. 12V 至 32V 2A 充电器

采用三小时 EOC 终止方式，支持可拆卸电池组。当 (12 ~V

五、总结

LT3650-4.1/LT3650-4.2 是一款功能强大、性能优越的单节锂离子/聚合物电池充电器，具有宽输入电压范围、可编程充电电流、多种充电终止方式、温度监测等功能，适用于各种不同的应用场景。在设计过程中，需要根据具体需求合理选择外部元件，并注意 PCB 布局，以确保充电器的性能和稳定性。你在使用 LT3650 充电器时遇到过哪些问题呢？欢迎在评论区分享你的经验和见解。