LT3651-8.2/LT3651-8.4：高性能2-Cell Li-Ion电池充电器的卓越之选

一、产品概述

在当今的电子设备中，电池充电器的性能对于设备的稳定运行和电池的使用寿命至关重要。LINEAR TECHNOLOGY推出的LT3651-8.2/LT3651-8.4 2-Cell Li-Ion电池充电器，以其出色的性能和丰富的功能脱颖而出，在工业手持仪器、12V - 24V汽车及重型设备、桌面充电座、笔记本电脑等众多领域有着广泛的应用前景。

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产品特点

1. 宽输入电压范围：支持9V到32V的输入电压（绝对最大40V），能适应多种不同的电源环境。
2. 高充电电流：可编程充电电流高达4A，可快速为电池充电。
3. 灵活的充电终止方式：可选择C/10或内置定时器终止充电。
4. 动态充电率编程与软启动：实现更智能的充电过程。
5. 精准控制：±0.5%的浮动电压精度、±7.5%的充电电流精度和±4%的C/10检测精度。
6. 安全保护功能：具备NTC电阻温度监测、自动再充电、自动预充电、坏电池检测与自动复位等功能。
7. 高效开关架构：采用平均电流模式、同步开关器，用户可编程频率。
8. 小巧封装：采用低轮廓（0.75mm）的5mm × 6mm 36引脚QFN封装，节省电路板空间。

二、产品详细参数

绝对最大额定值

参数	数值
VIN	40V
CLN, CLP, SHDN, CHRG, FAULT, ACPR	VIN + 0.5V（最高40V）
CLP – CLN	±0.5V
SW	40V
SW – VIN	4.5V
BOOST	SW + 10V（最高50V）
SENSE, BAT	10V
SENSE - BAT	–0.5V to 0.5V
TIMER, RNG/SS, ILIM, NTC, RT	2.5V
工作结温范围	–40 to 125°C
存储温度范围	–65 to 150°C

电气特性

以 (V{IN }=20 ~V) ， (SHDN = 2V) ， (SENSE = BAT =V{BAT(FLT)}) ， (C{TIMER }=0.68 mu F) ， (R{T}=50 k) ， (CLP=CLN=V_{IN}) ， (BOOST -SW=4 ~V) 为测试条件，部分关键参数如下：	参数	最小值	典型值	最大值	单位
VIN工作范围	9.0	-	32	V
电池浮动电压（LT3651-8.2）	8.16	8.2	8.24	V
电池浮动电压（LT3651-8.4）	8.36	8.4	8.44	V
工作VIN电源电流（CC/CV模式，顶部开关导通，ISW = 0）	-	8.6	-	mA
待机模式电流	-	80	-	µA
关机（SHDN = 0）电流	-	17	-	µA

三、引脚功能详解

1. NTC（引脚1）

电池温度监测引脚，通常连接一个10kΩ的NTC热敏电阻（B = 3380）到地，通过监测热敏电阻上的电压来调节充电过程。若不需要此功能，可将该引脚悬空。

2. ACPR（引脚2）

开集电极交流存在状态引脚，用于指示VIN是否有效以及充电器是否开启。通常使用上拉电阻，可承受高达VIN的电压，最大灌电流为10mA。

3. BAT（引脚3）

电池电压监测引脚，通过Kelvin连接到电池，并连接一个去耦电容到地。充电功能旨在使该引脚达到最终的浮动电压，当电池电压下降到浮动电压的97.5%时，自动重启充电循环。充电结束后，该引脚的输入偏置电流小于0.1µA，以减少电池放电。

4. SENSE（引脚4）

充电电流检测引脚，通过连接一个检测电阻（RSENSE）到BAT引脚来监测充电电流。电感电流通过RSENSE流向电池，该电阻上的电压决定了平均充电电流，最大平均充电电流对应于RSENSE上的95mV电压。

5. BOOST（引脚5）

用于开关驱动的自举电源轨，连接一个1µF或更大的电容到SW引脚，以实现高端开关晶体管的饱和。该引脚的工作范围为0V到8.5V（相对于SW引脚）。

6. GND（引脚6、23、31、37）

接地引脚，引脚31和37必须连接在一起，引脚6和23通过引线框架连接到背面的暴露引脚37，需将暴露引脚焊接到PCB上，以实现良好的热和电气连接。

7. SW（引脚7、11 - 18、22、38）

开关输出引脚，充电器开关的输出端，连接一个电感到SENSE引脚。开关工作时，电感由高端开关从VIN充电，由低端开关放电到地。暴露引脚38需焊接到PCB上，以实现良好的热连接。

8. NC（引脚8 - 10、19 - 21）

无连接引脚，可悬空。

9. TIMER（引脚24）

充电周期结束定时器编程引脚，通过连接一个电容到地来确定完整充电周期的结束时间。通常使用0.68µF的电容可实现3小时的充电周期。该定时器还可检测坏电池故障，若电池在充电周期的八分之一时间内未达到预充电阈值电压，则触发故障。将该引脚连接到地可禁用定时器终止功能，此时充电将在充电电流下降到C/10速率时终止。

10. FAULT（引脚25）

开集电极故障状态输出引脚，用于指示电池充电周期中的故障条件。通常使用上拉电阻，可承受高达VIN的电压，最大灌电流为10mA。温度故障或使用定时器终止时的坏电池故障会使该引脚拉低，无故障时为高阻抗。

11. CHRG（引脚26）

开集电极充电器状态输出引脚，用于指示电池充电状态。通常使用上拉电阻，可承受高达VIN的电压，最大灌电流为10mA。充电时该引脚拉低，充电结束后为高阻抗。若使用定时器终止功能，该引脚在充电电流下降到C/10速率之前保持低电平。温度故障也会使该引脚拉低。

12. SHDN（引脚27）

关机引脚，可用于精确的欠压锁定功能。当该引脚电压高于1.20V时，器件启用，具有95mV的电压滞后。关机模式下，所有充电功能禁用，VIN引脚电流降至17µA。若不需要关机功能，可将该引脚连接到VIN。

13. ILIM（引脚28）

输入电流限制编程引脚，可设置和动态调整系统输入电流限制，并可实现软启动功能。该引脚的电压通过设置输入电流检测电阻（位于CLP和CLN之间）上的最大电压来确定最大输入电流。有效范围为0V到1V，通常从该引脚提供50µA电流到一个接地电阻（RILIM）。若不使用RILIM，器件将默认采用最大输入电流。

14. CLP/CLN（引脚29/引脚30）

系统电流限制正、负输入端，通过连接检测电阻来监测系统电流。LT3651-8.2/LT3651-8.4会调整最大充电电流，以维持编程的最大系统电流。将CLP、CLN和VIN短接可禁用该功能。

15. VIN（引脚32、33、34）

充电器输入电源引脚，为器件提供电源，电池的充电电流流入这些引脚。充电结束后，VIN引脚电流小于100µA，这些引脚需连接在一起。

16. RNG/SS（引脚35）

充电电流范围和软启动引脚，可设置和动态调整最大充电电流，并实现软启动功能。该引脚的电压通过设置充电电流检测电阻（RSENSE）上的最大电压来确定最大充电电流。有效范围为0V到1V，通常从该引脚提供50µA电流到一个接地电阻（RRNG/SS）。若不使用RRNG/SS，器件将默认采用最大充电电流。故障条件下，该引脚会被拉低，使用软启动电容（CRNG/SS）可实现故障后的优雅恢复。

17. RT（引脚36）

开关振荡器定时器设置引脚，通过连接一个电阻到地来设置开关振荡器频率。通常使用54.9kΩ的电阻可实现1MHz的频率。

四、工作原理

整体架构

LT3651-8.2/LT3651-8.4采用恒定频率、平均电流模式同步降压开关器架构，实现高效充电。充电器包含必要的电路，可对恒流、恒压（CC/CV）充电进行编程和控制，支持电流终止和定时器终止两种方式。

充电过程

1. 预充电阶段：若电池电压较低，充电电流自动降低至编程电流的15%，以提供安全的电池预充电。当电池电压超过预充电阈值时，IC自动将最大充电电流提高到编程的完整值。
2. 恒流充电阶段：在电池电压低于浮动电压时，充电器以恒定电流对电池充电，最大充电电流由外部检测电阻（RSENSE）和RNG/SS引脚设置。
3. 恒压充电阶段：当电池电压接近浮动电压时，充电器进入恒压模式，充电电流逐渐降低。当充电电流下降到编程最大充电电流的十分之一（C/10）时，可选择终止充电。
4. 充电终止：充电终止方式有两种。一是C/10终止，即充电电流下降到C/10速率时终止充电；二是定时器终止，通过设置内部可编程充电周期控制定时器，通常为3小时后终止充电。使用定时器终止时，即使充电电流低于C/10，充电器仍会继续为电池“补电”，直到定时器时间结束。若电池在充电周期结束时未达到满充电浮动电压的97.5%，则认为充电不成功，将启动另一个完整的定时器周期。
5. 自动重启：充电结束后，若电池电压下降到满充电浮动电压的97.5%以下，充电器将自动重启充电循环。同时，在检测到坏电池故障后，更换电池后也会自动重启新的充电周期。
6. 温度监测与保护：通过NTC热敏电阻监测电池温度，若电池温度超出0°C到40°C的安全充电范围，充电周期暂停并发出故障信号。此外，若芯片结温过高，会自动降低充电电流，以减少片上功耗，保护器件安全。

控制逻辑

采用平均电流模式控制回路架构来控制平均充电电流。通过BAT引脚检测充电器输出电压，该电压与内部浮动电压参考值的差值由电压误差放大器（V - EA）积分，其输出电压ITH对应于电感检测电阻RSENSE上期望的平均电压。ITH电压被除以10，并为电流误差放大器（C - EA）的输入提供电压偏移。C - EA对该偏移电压与电流检测电阻电压的差值进行积分，得到的电压VC与内部生成的斜坡进行比较，从而生成控制充电器开关的占空比。

五、应用设计要点

1. 振荡器频率设置

通过连接一个精密电阻到地来设置开关振荡器频率fOSC，频率范围通常为200kHz到1MHz。可根据功率需求和系统要求调整频率，例如在高电压下工作时，可选择较低的频率以降低功率损耗。电阻值 (R{T}) 可根据公式 (R{T}=frac{54.9}{f{0 S C}(MHz)}(k Omega)) 计算，若要实现1MHz的频率，可设置 (R{T}) 为54.9kΩ。

2. VIN输入电源

LT3651-8.2/LT3651-8.4直接从VIN引脚获取电源，为了减少VIN上的电压毛刺，需要使用高质量、低ESR的去耦电容（CVIN）。电容大小可根据输入纹波电压、最大充电电流和振荡器频率计算，公式为 (C{IN(BULK)} frac{I{C H G(M A X)} cdot V{B A T}}{f{O S C}(M H z) cdot Delta V{I N} cdot V{I N}}(mu F)) ，其中 (Delta V{IN}) 为输入纹波，可先取0.1V作为参考。此外，电容的纹波电流额定值也需满足要求，RMS纹波电流ICVIN(RMS)近似为 (C V I N(R M S) approx I{C H G(M A X)} cdotleft(frac{V{B A I}}{V{I N}}right) cdot sqrt{frac{V{I N}}{V{B A T}}}-1) ，在 (V{IN }=2 cdot V{BAT }) 时达到最大值 (ICVIN(RMS)=I_{CHG(MAX)} / 2) 。

3. 升压电源

BOOST引脚的自举电源轨用于驱动内部开关，实现高端开关晶体管的饱和。通常连接一个1µF的电容到SW引脚，BOOST引脚的工作范围为2V到8.5V（相对于SW引脚）。升压电容通常通过一个二极管从电池或外部电源充电，二极管的平均电流额定值应大于0.1A，反向电压额定值应大于 (V{IN(MAX) }) 。若有大于输入电压的外部电源（ (V{BOOST }-V_{IN }>2 ~V) ），可替代自举电容和二极管。

4. VIN、VBOOST启动要求

充电器在检测到电池电压低于自动重启浮动电压且器件启用时开始充电。当VIN低于10.5V且BOOST电容未充电时，高端开关可能无法正常启动。为了便于启动，当BOOST电压较低时，器件会启用开关，使BOOST电容先充电，从而使高端开关能够饱和并高效工作。设计时需注意，开关启动和输入电流增加时，由于电源输入阻抗和输入电容的影响，输入电压可能会下降，导致低于内部VIN欠压锁定（UVLO）开启电压，影响正常启动。因此，在低VIN时，需要在RNG/SS引脚添加软启动电容，并将SHDN引脚的UVLO设置为9V。

5. BAT输出去耦

建议在充电器输出端连接一个去耦电容（CBAT），若电池可从充电器输出端断开，则该电容是必需的。电容值与最小工作VIN电压有关，可根据公式 (C{BAT} approx 20 mu F+left(frac{350 mu F}{V{IN(MIN)}}right)) 计算，其电压额定值必须满足或超过电池浮动电压。

6. RSENSE：充电电流编程

充电器可配置为最大平均充电电流高达4A。在最大充电电流下，电感检测电阻RSENSE上的电压为95mV，因此可根据公式 (R{SENSE}=frac{0.095 V}{I{CHG(MAX)}}) 计算RSENSE的值。例如，对于4A的充电器，RSENSE为24mΩ。

7. 电感选择

电感值的选择主要考虑开关过程中产生的纹波电流，通常将纹波电流 (Delta I{MAX}) 设置为最大充电电流的25%到35%，以在纹波损耗和电感尺寸之间取得良好的平衡。电感值可根据公式 (L=frac{V{B A T}+V{F}}{Delta I{M A X} cdot f{O S C}(M H z)} cdotleft(1-frac{V{B A T}+V{F}}{V{I N}+V{F}}right)(mu H)) 计算，其中 (V{F}) 为同步开关的正向电压（4A时约为0.14V）。电感的饱和电流必须等于或超过电感中的最大峰值电流，峰值电流为 (I{CHG(MAX)}+Delta I{CHG(MAX)} / 2) 。同时，电感的RMS电流额定值应大于 (I_{CHG(MAX)}) ，还需满足最大伏秒积要求。

8. 系统输入电流限制

LT3651-8.2/LT3651-8.4具有PowerPath控制功能，可根据系统负载调整充电器输出电流，以维持恒定的输入电源负载。通过在输入电源和系统及充电器负载之间连接一个电阻 (R_{CL}) ，并从ILIM引脚提供50µA电流到一个接地电阻