探索MCP73811/2：小巧高效的锂电池充电控制器

在电子设备的设计中，电池充电管理是至关重要的一环。特别是对于锂电池这种广泛应用的电源，选择合适的充电控制器能确保电池的安全、高效充电。今天，我们就来深入了解一下Microchip公司的MCP73811/2单节锂电池/锂聚合物充电管理控制器。

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产品概述

MCP73811/2是专门为空间受限和成本敏感的应用而设计的线性充电管理控制器。它能为单节锂离子或锂聚合物电池提供特定的充电算法，在尽可能短的充电时间内实现最佳容量。其小巧的物理尺寸和较少的外部元件需求，使其非常适合便携式应用。对于从USB端口充电的应用，MCP73811符合USB电源总线的所有规范。

产品特性

集成度高

MCP73811/2是一个完整的线性充电管理控制器，集成了传输晶体管、电流感应和反向放电保护功能。这不仅减少了外部元件的使用，还提高了系统的可靠性和稳定性。

充电模式与精度

采用恒流/恒压充电算法，恒压调节固定在4.20V，调节公差仅为±1%，保证了电池充电的高精度。对于MCP73811，可通过PROG输入的数字信号选择85 mA（低功率USB端口）或450 mA（高功率USB端口）的恒流值；而MCP73812则可通过一个外部电阻设置恒流值。

温度管理

在高功率或高环境温度条件下，MCP73811/2会根据芯片温度限制充电电流，实现热调节。这一功能在优化充电周期时间的同时，保证了设备的可靠性。此外，当芯片温度超过150°C时，会暂停充电，待温度下降约10°C后恢复充电，提供了额外的安全保障。

低功耗与自动控制

无需预充电，具有外部充电结束控制功能。当输入电源移除时，会自动进入掉电模式，降低功耗。充电使能信号为高电平有效，方便控制充电过程。

宽温度范围与小封装

工作温度范围为 -40°C 至 +85°C，能适应多种环境条件。采用5引脚SOT - 23封装，占用空间小，适合对空间要求较高的设计。

电气特性

绝对最大额定值

• 电源电压 (V{DD}) 最大为7.0V，所有输入和输出相对于 (V{SS}) 的电压范围为 -0.3V 至 ((V_{DD} + 0.3)V)。
• 最大结温内部受限，存储温度范围为 -65°C 至 +150°C。
• 所有引脚具有ESD保护，人体模型（1.5 kΩ 与100 pF串联）下 ≥ 4 kV，机器模型（200 pF，无串联电阻）下为400V。

DC特性

• 电源输入：电源电压 (V{DD}) 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、待机（CE = (V{SS})）和关机（(V{DD} < V{BAT} - 100 mV)）时。
• 电压调节：调节输出电压 (V_{REG}) 典型值为4.20V，输出电压公差在 -5°C 至 +55°C 范围内为 ±1%，线路调节和负载调节性能良好。
• 电流调节：MCP73811在PROG为低电平时，快速充电电流调节为85 mA；PROG为高电平时为450 mA。MCP73812可通过不同的PROG电阻设置充电电流，充电电流公差在 -5°C 至 +55°C 范围内为 ±10%。
• 其他特性：导通电阻 (R{DSON}) 典型值为400 mΩ，关机时电池反向泄漏电流 (I{DISCHARGE}) 最大为2 µA。

引脚说明

引脚编号	SOT - 23 - 5符号	功能
1	CE	高电平有效充电使能
2	(V_{SS})	电池管理0V参考
3	(V_{BAT})	电池充电控制输出
4	(V_{DD})	电池管理输入电源
5	PROG	电流调节设置和充电控制使能

CE引脚

逻辑高电平使能电池充电，逻辑低电平禁用电池充电，该输入与1.8V逻辑兼容。

(V_{SS}) 引脚

连接到电池和输入电源的负极。

(V_{BAT}) 引脚

连接到电池的正极，是内部P沟道MOSFET传输晶体管的漏极。为确保电池断开时的环路稳定性，需用至少1 µF的电容旁路到 (V_{SS})。

(V_{DD}) 引脚

建议电源电压为 ([V{REG} (typ.) + 0.3 V]) 至6V，并用至少1 µF的电容旁路到 (V{SS})。

PROG引脚

对于MCP73811，作为数字输入选择，低电平选择85 mA充电电流，高电平选择450 mA充电电流；对于MCP73812，通过从PROG到 (V_{SS}) 放置一个电阻来设置充电电流。

工作原理

欠压锁定（UVLO）

MCP73811/2没有内部欠压锁定电路。

充电资格

输入电源必须比电池电压高150 mV，设备才会开始工作。当输入电源降至比电池电压高 +50 mV 以内时，自动掉电电路会使设备进入关机模式，此时电池反向放电电流小于2 µA。要开始充电周期，需满足自动掉电条件且充电使能输入高于输入高阈值。

预充电

MCP73811/2不支持对深度耗尽电池的预充电。

恒流模式 - 快速充电

在恒流模式下，MCP73811选择的充电电流或MCP73812编程的充电电流会提供给电池或负载。MCP73812通过从PROG到 (V{SS}) 的单个电阻设置充电电流，计算公式为 (I{REG}=frac{1000 V}{R{PROG}})（(R{PROG}) 单位为千欧，(I{REG}) 单位为毫安）。恒流模式会持续到 (V{BAT}) 引脚的电压达到调节电压 (V_{REG})。

恒压模式

当 (V{BAT}) 引脚的电压达到调节电压 (V{REG})（4.20V，公差 ±1.0%）时，开始恒压调节。

充电终止

充电周期可通过从充电器移除电池、移除输入电源或将充电使能输入（CE）驱动为逻辑低电平来终止，未实现自动充电终止方法。

自动充电

由于未实现自动充电终止，MCP73811/2不支持自动充电周期，只要满足充电资格参数，设备就会一直处于充电周期。

应用设计

应用场景

适用于低成本锂离子/锂聚合物电池充电器、可充电玩具、电子烟、蓝牙耳机、USB充电器等。

应用电路设计

• 组件选择：
  • 充电电流：锂离子电池的首选快速充电电流为1C速率，绝对最大电流为2C速率。例如，500 mAh的电池组首选快速充电电流为500 mA，此速率可在不影响电池性能和寿命的前提下提供最短的充电周期。
  • 热考虑：电池充电器的最坏情况功耗发生在输入电压最大且设备从预充电模式转换到恒流模式时，功耗计算公式为 (PowerDissipation = (V{DDMAX} - V{PTHMIN}) × I_{REGMAX})。以5V、±10%输入电压源为例，功耗为1.4W，此时会触发热调节。
  • 外部电容：为保持恒压模式下的交流稳定性，建议用至少1 µF的电容将 (V{BAT}) 引脚旁路到 (V{SS})。可使用任何优质的输出滤波电容，电容值和等效串联电阻（ESR）取决于输出负载电流，对于高达500 mA的输出电流，输出端使用1 µF的陶瓷、钽或铝电解电容通常足以确保稳定性。
  • 反向阻断保护：MCP73811/2提供对故障或短路输入的保护，防止电池通过内部传输晶体管的体二极管放电。
  • 充电禁止：充电使能输入引脚（CE）可在充电周期的任何时间终止充电，也可启动充电周期或重新充电周期。高电平使能设备，低电平禁用设备并终止充电周期，禁用时设备的电源电流通常降至50 µA。
• PCB布局：为实现最佳电压调节，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。如果将PCB布局用作散热片，在散热垫中添加多个过孔可将更多热量传导到PCB的背板，从而降低最大结温。

总结

MCP73811/2以其高集成度、高精度的充电控制、良好的温度管理和简单的应用设计，为单节锂电池/锂聚合物电池的充电管理提供了一个优秀的解决方案。无论是对于小型便携式设备还是对成本敏感的应用，它都能满足需求。电子工程师在设计相关产品时，可以充分考虑MCP73811/2的特性和优势，打造出更高效、可靠的充电系统。你在使用类似充电控制器时遇到过哪些问题呢？欢迎在评论区分享你的经验。