单节锂电充电IC

1、VM7205 PRELIMINARY REV 0/March2003 高精度线性锂电池充电器控制电路特点4.2V 单节锂离子或锂聚合物电池充电器的理想控制电路； 高于1%的电压精度；预充电过程，用户可改变预充电电流； 恒定电流充电，充电电流可调； 恒定电压充电过程； 自动再充电过程；充电过程中的温度监控；动态的电池内阻补偿，可以减少充电时间； 双LED 充电状态指示； 电池不正常状态的检测；电源电压低时，处于低功耗的Sleep 模式，电池漏电流极小；极少的外围元器件； 小型化的SOP8 封装；概述VM7205是一款专门为高精度的线性锂电池充电器而设计的电路，非常适合那些低成本、便携式的充电器使

2、用。它集高精度预充电、恒定电流充电、恒定电压充电、电池状态检测、温度监控、充电结束低泄漏、充电状态指示、电池内阻补偿等性能于一身，可以广泛地使用于PDA 、移动电话、手持设备等领域。VM7205通过检测电池电压来决定其充电状态：预充电、恒流充电、恒压充电。当电池电压小于阈值电压V MIN （一般为3V ）时，处于预充电状态，以较小的电流对电池进行充电，预充电的电流可以通过外部电阻进行调整。预充电使电池电压达到V MIN 后，进入恒定电流充电的快速充电状态，充电电流I REG 可以通过外围电阻R1调整，恒定电流充电使电池电压上升到恒定电压充电电压V REG （一般为4.2V ）。然后进入恒定电压

3、充电状态，充电电压的精度优于±1%，在该状态下，充电电流将逐渐减小，当充电电流小于阈值I TERM ，充电结束。充电结束后，将始终对电池电压进行监控，当电池电压小于阈值V RECHG （一般为V REG 150mV ）时，对电池进行再充电，进入下一个充电周期。 为了安全起见，在整个充电过程中，VM7205利用电池内部的热敏电阻和适当的外围电阻对电池的温度进行监控，可以使电池的温度控制在用户设置的范围内。当电池温度超过设置的范围0.5秒钟以后，将停止对电池充电；电池温度回到设置范围以内0.5秒钟以后，充电继续。VM7205还可以通过适当的外围电阻对电池的内阻进行动态补偿，从而有效地缩短

4、充电时间。功能框图 LEDSTSVSSBAT CS1DRIVE 订购信息型号输出电压再充电电压封装形式管脚数管脚排列 LEDS TS VSS BAT 引脚描述引脚名称引脚序号I/O引脚功能充电状态指示。在充电过程中，该引脚被下拉到VSS ；充电结束后，呈高阻态；电池不正常或温度超过设置的范围时，输出50%占空比的2Hz 脉冲。该引脚可通过330欧姆电阻与指示发光二极管连接。 温度监控输入端。该引脚的输入电压必须在V TS1与V TS2之间；否则，将视为电池温度超出设置范围。 接地端。与供电电源和电池的负极相连。 电池电压检测输入端。与电池相接时需串接330680欧姆电阻，同时，电池两端需用一个

5、10F 的电容去耦. 调整管驱动端。与外部调整管的基极（PNP 晶体管）或栅极（PMOS 管）相连。 充电电流控制端。调整电源正极与调整管发射极（PNP 晶体管）或源极（PMOS 管）之间的电阻，可设置预充电和恒定电流充电的电流。 电池内阻补偿控制/充电结束指示端。充电过程中，调整外接分压电阻，可控制电池内阻补偿的深度；充电结束后，该引脚被下拉到VSS ，可以用来作为充电结束指示。 电源端。与供电电源的正极连接，该引脚需用一个10F 的电容去耦。极限参数供电电源VCC. 0.3V 18V CS1、CS2/LED、DRIVE 、BAT 、LEDS 、TS 端允许输入电压. 0.3V VCC 0.

6、3V 工作温度T A . 4085结温.150 功耗P D （T A 25）. TBD 贮存温度. 65150 焊接温度（锡焊，10秒）.300注：超出所列的极限参数可能导致器件的永久性损坏。以上给出的仅仅是极限范围，在这样的极限条件下工作，器件的技术指标将得不到保证，长期在这种条件下还会影响器件的可靠性。电气参数（除非特别注明，VCC 5V 。标注“”的工作温度为：40T A 85；未标注“”的工作温度为： T A 25；典型值的测试温度为：T A 25）参数名称符号测试条件最小值典型值最大值单位供电电源 VCC 5V 电源电流 I SUPPLYVCC 12V 有效电源电压V UVLO VC

7、C 上升 Sleep 模式电池漏电流I SLEEP VCC 悬空，V BAT 4.2VA 恒定电压充电 充电电压 V REG VCC V CS1V CS2/LEDT 输入电压调整率VCC 5V 12V进入再充电状态状态BAT 端电压V RECHGV REG REG REG 0.1V恒定电流充电 CS1端电压 V CSREG 相对于VCC （注1） 预充电电流CS1端电压V CSPRE 相对于VCC （注1） 充电结束阈值 CS1端电压V CSTERM 相对于VCC （注1） 温度监控（TS 端电压） 低端电压 V TS126 28 30 高端电压 V TS2555861预充电结束阈值 BAT

8、端电压 V MIN 2.943.003.06V电池内阻补偿 补偿系数（注3） G COMP2.52.83.1V/VDRIVE 驱动端 上拉阻抗 V BAT 4.5V输出高电平 VCC 12V ，V BAT 4.5V 灌电流V BAT 3.6V ，V DRIVE 1V电气参数（续）（除非特别注明，VCC 5V 。标注“”的工作温度为：40T A 85；未标注“”的工作温度为： T A 25；典型值的测试温度为：T A 25）参数名称符号 测试条件 最小值 典型值 最大值 单位电池不正常状态判别 BAT 端电压 V BSC 最大预充电时间 t FAIL LEDS 端输出脉冲周期 LEDS 端输出脉

9、冲占空比LEDS 端，CS2/LEDT端灌电流 V LEDS =VCS2/LEDTBAT 端输入电流 V BAT 3.6V A BAT 端外接电容 4.747FTS 端输入电流 V TS 2.5VA CS1端输入电流 V CS14.95V ，V BAT 3.6V A CS2/LEDT端输入电流V CS14.95V ，V BAT 3.6VA 注：1 除非特别注明，表中的电压值均相对于VSS 而言；2 参见应用线路图3和图5；3 补偿系数的定义为：G COMP V REG /(VCS2/LEDTV CS1 。 1、预充电VM7205检测到如下两种情况之一即开始进入充电周期：a ）加上适当的电源后（

10、VCC 4.2V ），插上锂电池（V BAT V RECHG ）； b ）已经插上锂电池（V BAT V REG ），然后加上适当的电源（VCC 4.2V ）； 如果锂电池的初始电压低于预充电阈值V MIN ，则首先进入预充电阶段。预充电电流可以用一个外部电阻R9来调整，如图3和图5所示，R9被连接在CS1端和PNP 管的发射极之间, 在VM7205内部还有一个5.1K 电阻被连接在VCC 和CS1端之间，这两个电阻形成一个分压网络，预充电的电流由下式来决定： I PRECHG （15.1R9）×R1V CSPRER9的单位是K ，注意R9的阻值应小于10K .当充电器不在预充电状态

11、时，此分压网络被断开，不起作用。I PRECHG 相对于恒定电流充电时的电流来说是比较小的，这是因为当电池电压V BAT 较小时，如果用大电流对其进行充电，会存在安全上的隐患；同时，当电池电压V BAT 低时，在外部调整管Q1上的压降较大，减小电流对降低Q1的功耗也是非常有利的。注意，在情况a ）中，如果电池电压V BAT 大于再充电阈值V RECHG ，VM7205不会立刻进入充电阶段，它必须等到V BAT V RECHG 后，由于需再充电而进入下一个充电周期；在情况b ）中，只要电池电压V BAT 小于阈值V REG ，无论其是否大于V RECHG ，VM7205都会立刻进入充电阶段，直至

12、充电结束。2、恒定电流充电当电池电压达到V MIN 时，电池将进入下一个充电阶段：恒定电流充电。其充电电流由I REG V CSREG /R1来确定。因此，通过调整电阻R1即可获得希望得到的充电电流。3、恒定电压充电随着恒定电流充电的进行，电池电压上升，当电池达到一定电压（V REG ）时，即进入恒定电压充电阶段。在此阶段，电池电压不再上升，被恒定在V REG ，且充电电流逐渐减小。4、充电结束在恒定电压充电阶段，充电电流逐渐减小，当电流减小到I TERM V CSTERM /R1时，电池充电结束，同时，充电电流降为零。5、温度监控在整个充电过程中，VM7205将通过电池内部的热敏电阻和TS

13、引脚外部的分压网络对电池的温度实行实时监控。避免由于电池温度过高（或过低）而造成对电池的损坏或发生危险。一般情况下，当TS 端电压V TS 在V TS1与V TS2之间时，VM7205正常工作。当V TS V TS1或V TS V TS2且超过0.5秒钟，说明此时电池温度“过高”或“过低”，则充电过程被暂停；待V TS 恢复到V TS1与V TS2之间，且超过0.5秒钟，即电池温度恢复到设定范围内，充电继续进行。利用温度监控端TS ，可以实现“充电暂停”功能：使用切换开关将V TS 固定在小于V TS1或大于V TS2的某一恒定电平点（一般为VCC 或VSS ）；充电需继续时，将V TS 恢复

14、到V TS1与V TS2之间即可。这只需在充电器上增加一个转换开关即可实现。6、充电指示VM7205有两个充电指示端：LEDS 端和CS2/LEDT端（与CS2复用）。 LEDS 为充电状态指示，一般通过红色发光管Red 连接到VCC ，在预充电、恒定电流充电、恒定电压充电阶段，LEDS 为低电平，Red “亮”；当电池状态不正常（V BAT V BSC 或预充电时间超过15分钟或温度监控端电压超出范围（V TS V TS1或V TS V TS2且超过0.5秒钟）时，LEDS 输出50%占空比的2Hz 脉冲，Red “闪烁”；充电结束后，LEDS 呈高阻态，Red “灭”。 LEDT/CS2作

15、为充电结束指示端，可以通过绿色发光管Green 连接到VCC ，该引脚与CS2复用，在充电过程中，其电压接近于VCC ，Green “灭”；充电结束后，LEDT 端为低电平，Green “亮”。7、SLEEP 模式当电源电压VCC 低于电池电压时，VM7205将进入低功耗的Sleep 模式，电池有极小的漏电流输出。当电源电压为零时，VM7205的DRIVE 端通过内部电阻连接到VCC 端，从而使PNP 调整管的c-b 结导通，电池通过调整管和电源内阻放电；对于PMOS 调整管，由于其内部本身含有保护二极管，这就使得电池可以通过保护二极管和电源内阻放电。为了抑制这种放电现象，建议在电路中增加一个

16、防反向放电的阻塞二极管D1（参见应用图5）。8、电池不正常状态的提示当电池电压V BAT 低于V BSC 时，VM7205认为电池存在“短路”的可能性，此时， Red“闪烁”用来提醒用户，但充电过程继续进行，如果充到可以使V BAT 大于V BSC ，则Red 停止“闪烁”，变为“亮”，继续充电。 VM7205内部有一个定时器Timer ，预充电开始的同时，启动Timer 计时，如果在15min 内，预充电还没有结束（V BAT V MIN ），则VM7205认为电池存在故障，强迫充电结束，同时，Red “闪烁”，提醒用户处理。此时，用户必须将VM7205“断电”，然后重新“上电”，才可以进行

17、下一个充电周期。9、再充电充电结束后，电池电压V BAT 应等于V REG ，Red “灭”，Green “亮”，表示处于充电结束阶段；但是，如果电池电压V BAT 下降到再充电阈值V RECHG 时，VM7205会自动进入再充电阶段，开始下一个充电周期，同时，指示二极管Red “亮”，Green “灭”，表示又重新处于充电阶段。10、电池的内阻补偿在实际情况中，由于锂电池内部有充电保护电路等外围元件，使得锂电池存在一定的内阻R PACK ，充电过程中，充电电流将在R PACK 上产生压降V PACK ，这就使得在恒定电压充电过程中，锂电池的实际电压小于V REG 。当然，随着充电电流的减小，

18、V PACK 也将越来越小，所以，最后的电池电压与V REG 是非常接近的。但是，由于R PACK 的存在，将使得恒定电压充电的时间变长。为了有效地抑制R PACK 的影响，VM7205提供了一个电池内阻补偿引脚CS2/LEDT（与LEDT 复用）。通过调节其外围电阻R2、R3，控制CS2端与CS1端的电压差（V CS2/LEDTV CS1），使V REG 产生一个附加电压V REG ，用它来抵消R PACK 的影响，从而有效地缩短充电时间。 VM7205应用中的几个问题1、R5和R6的确定我们可以根据待设定的温度范围来确定应用线路图中的R5和R6，现举例说明如下： 假设待设定的温度范围为T

19、L T H ，（其中T L T H ）；电池中使用的是负温度系数的热敏电阻（NTC ），R TL 为其在温度T L 时的阻值，R TH 为其在温度T H 时的阻值，则R TL R TH ，那么，在温度T L 时，TS 端的电压为： V TSL TLTL R6R5R6+×VCC在温度T H 时，TS 端的电压为： V TSH THTH R R6R5R R6+×VCC然后，由V TSL V TS2，假设取为k 2×VCC V TSH V TS1，假设取为k 1×VCC 则可解得：R521TH TL 12TH TL k k R (Rk (kR R . （1）

20、R6k k (kR k k (kR k (kR R 212TH 211TL 12TH TL . （2）同理，如果电池内部是正温度系数（PTC ）的热敏电阻，则R TH R TL ，我们可以计算得到： R521TL TH 12TH TL k k R (Rk (kR R . （3）R6k k (kR k k (kR k (kR R 212TL 211TH 12TH TL . （4）从以上的推导过程中可以看出，待设定的温度范围与电源电压VCC 是无关的，仅与R5、R6、R TH 、R TL 有关；其中，R TH 、R TL 可通过查阅相关的电池手册或通过实验测试得到。在实际应用过程中，若只关注某一端

21、的温度特性（一般是过热保护），则R6可以不用，而只用R5即可。R5的推导也变得十分简单，在此不再赘述。2、R2和R3的确定我们来分析应用图3，考虑到R2与发光管Green 并联，并且充电结束后，R3与发光管Green 也是并联的（由于RI 太小，其影响可以忽略）。因此，R2、R3都不宜太小，否则会影响GREEN 的发光强度，一般R2、R3应控制在3k 以上。为了确定R2、R3的阻值，这里我们先推导R2与R3的关系式。由图3我们可以得到：V CS2/LEDTV CS1(VCCV CS1 ×R3/(R2R3 I CHRG (VCCV CS1/R1同时，V REG G COMP ×

22、;(VCS2/LEDTV CS1 在理想的补偿状态下：V REG R PACK ×I CHRG 由以上四式，可以计算得到： R3R2×R PACK /(R1×G COMP R PACK 1R G R1R2PACKCOMP×. （5）将R10.3，G COMP 2.7代入（5）式，则： R31R 0.81R2PACKa ）如果R PACK 0.405，则R3R2，此时可取R33.3k ，R2由（5）式计算得到。 例如：若R PACK 0.1，则R223.43k ，可以取标称值24 k。b ）如果R PACK 0.405，则R3R2，此时可取R23.3k ，

23、R3由（5）式计算得到。 例如：若R PACK 0.6，则R39.43k ，可以取标称值10 k。R2、R3的确定原则是，将其中较小的一个电阻定在3k 5k 之间，然后再根据（5）式确定另一个电阻；若用户不需要使用电池内阻补偿功能，可将R3定在3k 5k 之间，而R2不用。 同时，由（5）式可以知道，要获得理想的补偿效果，R1、G COMP 、R PACK 必须满足以下关系式： R PACK R1×G COMP . （6）3、选择PNP 晶体管作为调整管选择PNP 晶体管作为调整管，应考虑其最大允许电流I CM 、最大允许功耗P D 、集电极-发射极结击穿电压BV CEO 、以及电流

24、放大倍数和热阻JA 等因数。下面举例说明各参数的确定方法。 该例中假设不使用阻塞二极管D1，取VCC 6V ，R10.3，则恒定电流充电电流：I REG V CSREG /R1150mV/0.30.5A 。 a ）确定BV CEO充电刚开始时，晶体管的集电极-发射极承受最大的电压降，此时的V CE V CS1V BAT ，刚开始时的V BAT 很低，甚至低于V BSC ，V CS1接近电源电压VM7205VCC ；同时，为了保证晶体管的安全，应留有一定的余量。因此，一般要求晶体管的BV CEO 大于VCC ，本例中，取BV CEO 15V 。 b ）确定P D虽然刚开始充电时，晶体管的集电极-

25、发射极承受着最大的电压降，但此时晶体管的功耗并不是最大的，因为此时预充电的电流较小。当预充电结束，刚进入恒定电流充电时，晶体管承受最大的功耗。此时集电极-发射极的电压为：V CE V CS1V BAT 60.153.02.85V ； 集电极电流I C I REG 0.5A 。 所以晶体管的功耗P D 为：P D V CE ×I C . （7） 2.85×0.51.425W 。 c ）确定热阻JA热阻JA 关系到晶体管所采用的封装形式，选择合适的JA ，以保证晶体管承受最大的功耗时，其结温不超过生产厂家规定的范围。假设最大结温T JMAX 150，环境温度T A 40，则可以

26、计算出晶体管的最大允许热阻JAMAX 为：JAMAX (TJMAX T A / PD . （8）(15040/1.425W77.2/W同样，为了晶体管的安全，所选晶体管的JA 应小于JAMAX ，并留有约10%的余量。因此，在本例中，可以选择热阻JA 为60/W的SOT223封装的晶体管。d ）确定最大允许电流I C晶体管流过的最大电流应为恒定电流充电时的电流，并考虑留有50%的余量，在本设计中，选取：I C I REG ×150%. （9） 0.5×150%0.75A e ）确定电流放大倍数确定值，可以考虑集电极流过最大电流I CMAX 时，对应的基极电流I B 。本例中

27、I CMAX I REG ，I B 即VM7205调整管驱动端灌电流，我们取I B 30mA ，因此有：I CMAX /IB . （10） 0.5/0.0317一般的晶体管值都大于17，因此VM7205对晶体管值的要求并不高。综合以上a e ，我们即可确定具体的晶体管型号，例如：TO-92封装的8550等晶体管可满足上述要求。4、选择PMOS 管作为调整管选择PMOS 管作为调整管，同样应考虑其漏极最大允许电流I D 、最大允许功耗P D 、热阻JA ，另外还应考虑最大源极-漏极电压V DS 以及栅极-源极驱动电压V GS 等因素。下面举例说明各参数的确定方法。本例假设使用阻塞二极管D1，取V

28、CC 6.5V ，R10.3。同样恒定电流充电电流：I REG 0.5A a ）确定V DS充电刚开始时，PMOS 管的源极-漏极承受最大的电压降，此时的V DS VCC V D1V R1V BAT （其中，V D1为阻塞二极管D1的正向导通电压，一般为0.7V ；V R1为电阻R1的电压降，它也是非常小的）。同样我们要求PMOS 管的V DS 应大于VCC ，可以取V DS 15V 。 b ）确定P D同样道理，在VM7205刚进入恒定电流充电时，PMOS 管承受最大的功耗。此时源极-漏极的电压为：V DS VCC V D1V R1V BAT6.50.70.153.02.65V ； 漏极电流I D I REG 0.5A 。 所以PMOS 管的功耗P D 为：P D V DS ×I D . （11） 2.65