Микросхема MP24AD предназначена для реализации защиты литий-ионных и литий-полимерных аккумуляторов с одной энергетической ячейкой 3.7V Li-Ion или Li-Po. MP24AD встраивается прямо в корпус аккумуляторной батареи на миниатюрной печатной плате, и защищает энергетическую ячейку от перезаряда, переразряда, превышения тока разряда, превышения тока заряда и других анормальных явлений (путем выключения внутренних N-канальных транзисторов MOSFET). Защита в микросхеме построена на основе четырех детекторов напряжения, детектора короткого замыкания, источников опорного напряжения, генератора, схемы счетчика и схем логики.

На фото показана микросхема MP24AD, установленная на плате контроллера оригинальной аккумуляторной батареи смартфона Samsung Galaxy Note GT-N7000.

На рисунке показана упрощенная блок-схема внутреннего устройства MP24AD.

Пояснения к схеме: V_DD плюс напряжения питания узлов микросхемы, Source1 минусовой контакт защищаемой энергетической ячейки, Drain стоки силовых транзисторов микросхемы (как ни странно, этот контакт не используется), Source2 внешний минусовой контакт для подключения к зарядному устройству (и к цепи питания смартфона, где используется аккумулятор), V- специальный вход для организации защит.

Сигналы C_OUT (управление транзистором заряда) и D_OUT (управление транзистором разряда) являются выходами CMOS, и могут напрямую управлять внутренними N-канальными транзисторами MOSFET. Выход C_OUT переходит в состояние лог. 0 после фиксированного времени задержки при детектировании перезаряда. Выход D_OUT переходит в состояние лог. 0 после фиксированного времени задержки при детектировании переразряда, превышения тока разряда, или при детектировании короткого замыкания.

В состоянии перезаряда, если напряжение V_DD меньше, чем напряжения отпускания перезаряда, то выход C_OUT переходит в состояние лог. 1 после фиксированного времени задержки. В состоянии переразряда, если напряжение на энергетической ячейке поднялось выше напряжения детектирования переразряда при подключенном зарядном устройстве, то выход D_OUT переходит в состояние лог. 1 после фиксированного времени задержки. Ток зарядки может быть предоставлен для батареи, даже если она разряжена до 0V. 

В состоянии детектирования переразряда или короткого замыкания, если условия нагрузки батареи поменялись (снизился ток потребления или устранено короткое замыкание), то выход D_OUT переходит в лог. 1 после фиксированного времени задержки. В состоянии переразряда ток потребления уменьшен до минимально возможного значения. Как только было детектировано превышение тока заряда, выход из этого состояния происходит путем отключения зарядного устройства и подключения нагрузки.

[Основные особенности микросхемы MP24AD]

1. В микросхему встроены 2 силовых N-канальных MOSFET-транзистора  с общим стоком. 

2. Уменьшенное количество внешних выводов - все основные соединения осуществлены внутри корпуса микросхемы. 

3. Применена высоковольтная технология CMOS, секция зарядного устройства выдерживает абсолютное максимальное напряжение 28V. 

4. Точность детектирования напряжений:

детектирование перезаряда ±25mV (Ta=25^oC), ±45mV (Ta=-30~70^oC)
детектирование переразряда ±70mV (Ta=25^oC), ±80mV (Ta=-30~70^oC)
детектирование перегрузки по току разряда ±10mV (Ta=25^oC), ±20mV (Ta=-30~70^oC)
детектирование перегрузки по току заряда ±20mV (Ta=25^oC), ±40mV (Ta=-30~70^oC) 

5. Задержки времени детектирования: 

детектирование перезаряда 1.00±0.20с (Ta=25^oC), 1.00[+0.50,-0.40]с (Ta=-30~70^oC)
детектирование переразряда 96.0±19.2мс (Ta=25^oC), 96.0[+48,-38.4]мс (Ta=-30~70^oC)
детектирование перегрузки по току разряда 12.0±2.4мс (Ta=25^oC), 12.0[+6,-4.8]мс (Ta=-30~70^oC)
детектирование перегрузки по току заряда 6.0±1.2мс (Ta=25^oC), 6.0[+3.0,-2.4]мс (Ta=-30~70^oC)
детектирование короткого замыкания 400[+160,-120]мкс (Ta=25^oC), 400[+400,-200]мкс (Ta=-30~70^oC) 

6. Функции детектирования работают даже с аварийным зарядным устройством.

7. Разрешен заряд даже при нулевом напряжении на батарее. 

8. Разрешена функция автоматического пробуждения. 

Использование продвинутой технологии предоставляет отличные параметры сопротивления открытого канала транзисторов сток-исток R_DS(ON), и как следствие низкое падение напряжения на регулирующем элементе. Допустимое рабочее напряжение сток-исток составляет от 2.5V до максимального 12V. Микросхема имеет защиту от статического электричества. Благодаря наличию контроллера на микросхеме MP24AD в батарее аккумулятора схема зарядного устройства получается очень простая - по сути это должен быть источник ограниченного тока 0.5..2 A напряжением 5..7V. Требования к току заряда определяются в основном емкостью батареи и нужной скоростью зарядки.

Основные электрические характеристики микросхемы MP24AD приведены в таблице.

Примечание: ESD переводится как Electro-Static Discharge (разряд статического электричества), HBM переводится как Human Body Model (модель тела человека). 

[Цоколевка MP24AD]

Справочная информация по параметрам MP24AD

[Предельно допустимые значения]

Параметры приведены для условий рабочей температуры 25^oC и напряжении Source1 (V_SS)=0V.

Параметр	Мнем.	Значение	Ед.
Напряжение питания	VDD	-0.3 .. +12	V
Напряжение на входе V-	V-	VDD-28 .. VDD+0.3	V
Напряжение между стоком и истоком	VDS	24	V
Напряжение между истоком и затвором	VGS	±12	V
Выходное напряжение COUT	VCOUT	VDD-28 .. VDD+0.3	V
Выходное напряжение DOUT	VDOUT	VSS-0.3 .. VDD+0.3	V
Рабочая температура	TOPR	-40 .. +85	oC
Температура хранения	TSTG	-55 .. +125	oC

[Электрические характеристики]

Эти параметры приведены для условий рабочей температуры 25^oC:

Параметр	Мнем.	Условия измерения	Min.	Typ.	Max	Ед.	*1
Входное напряжение питания	VDD1	VDD - VSS	1.5	-	10.0	V	A
Минимальное рабочее напряжение для заряда от 0V	VST	VDD-V-, VDD-VSS=0V	-	-	1.2	V	A
Сопротивление нагрузки для отпускания защиты перегрузки по току	RSHORT	VDD=3.6V, V-=1.0V	30	50	100	kΩ	F
Напряжение COUT низкого уровня	VOL1	IOL=30mkA, VDD=4.5V	-	0.4	0.5	V	-
Напряжение COUT высокого уровня	VOH1	IOH=-30mkA, VDD=3.9V	3.4	3.7	-	V	-
Напряжение DOUT низкого уровня	VOL2	IOL=30mkA, VDD=2.0V	-	0.2	0.5	V	-
Напряжение DOUT высокого уровня	VOH2	IOH=-30mkA, VDD=3.9V	3.4	3.7	-	V	-
Потребляемый ток	IDD	VDD=3.9V, V-=0V	-	3.0	6.0	mkA	L
Потребляемый ток в режиме Standby (выключено)	IS	VDD=2.0V	-	-	0.5	mkA	L
Порог детектирования срабатывания защиты от перезаряда	VDET1	R1=1.0kΩ	4.200	4.225	4.250	V	B
Порог отпускания защиты от перезаряда	VREL1	R1=1.0kΩ	3.985	4.025	4.065	V	B
Порог детектирования срабатывания защиты от переразряда	VDET2	V-=0V, R1=1.0kΩ	2.430	2.500	2.570	V	D
Порог отпускания защиты от переразряда	VREL2	R1=1.0kΩ	2.800	2.900	3.000	V	D
Порог отпускания защиты от переразряда 2	VREL2'	Vchg=4.2V, R1=1.0kΩ, R2=2.2kΩ	2.430	2.520	2.610	V	D
Порог детектирования срабатывания защиты превышения тока разряда	VDET3	VDD=3.0V, R2=2.2kΩ	0.140	0.150	0.160	V	F
Порог детектирования срабатывания защиты превышения ток заряда	VDET4	VDD=3.5V, R2=2.2kΩ	-0.170	-0.150	-0.130	V	G
Напряжение детектирования короткого замыкания	VSHORT	VDD=3.0V	VDD-1.2	VDD-0.9	VDD-0.6	V	F
Время задержки срабатывания защиты от перезаряда	tVDET1	VDD=3.6V -> 4.6V	0.80	1.00	1.20	с	B
Время задержки отпускания защиты от перезаряда	tVREL1	VDD=4.6V -> 3.6V	1.6	2.0	2.4	мс	B
Время задержки срабатывания защиты от переразряда	tVDET2	VDD=3.6V -> 2.2V	76.8	96.0	115.2	мс	D
Время задержки отпускания защиты от переразряда	tVREL2	VDD=2.2V -> 3.6V	3.2	4.0	4.8	мс	E
Время задержки срабатывания защиты от превышения тока разряда	tVDET3	VDD=3.0V, V-=0V -> 1V	9.6	12.0	14.4	мс	F
Время задержки отпускания защиты от превышения тока разряда	tVREL3	VDD=3.0V, V-=3V -> 0V	3.2	4.0	4.8	мс	F
Время задержки срабатывания защиты от превышения тока заряда	tVDET4	VDD=3.5V, V-=0V -> -1V	4.8	6.0	7.2	мс	G
Время задержки отпускания защиты от превышения тока заряда	tVREL4	VDD=3.5V, V-=-1V -> 0V	3.2	4.0	4.8	мс	G
Время задержки срабатывания защиты от короткого замыкания	tSHORT	VDD=3.0V, V-=0V -> 3.0V	280	400	560	мкс	F
Порог детектирования защиты от превышения напряжения зарядного устройства	Vchg1	VDD=3.6V, R2=2.2kΩ	6.0	8.0	10.0	V	A
Порог отпускания защиты от превышения напряжения зарядного устройства	Vchg2	VDD=3.6V, R2=2.2kΩ	5.3	7.3	9.3	V	A
Напряжение пробоя сток-исток (Drain-Source Breakdown Voltage)	BVDSS	ID=250mkA, VGS=0V	24	-	-	V
Ток утечки стока при нулевом напряжении на затворе (Zero Gate Voltage Drain Current)	IDSS	VDS=20V, VGS=0V TJ=55oC	-	-	1	mkA
			-	-	5
Ток утечки затвор-подложка (Gate-Body Leakage Current)	IGSS	VDS=0V, VGS=±10V	-	-	10	mkA
Напряжение пробоя затвор-исток (Gate-Source Breakdown Voltage)	BVGSO	VDS=0V, IG=±250mkA	±12	-	-	V
Пороговое напряжение затвора (Gate Threshold Voltage)	VGS(th)	VDS=VGS, ID=250mkA	0.6	1.0	1.5	V
Статическое сопротивление открытого канала Source1-Source2	RSS(ON)	VGS=10V, ID=5A TJ=125oC	-	32	39	mΩ
			-	50	60
		VGS=4.5V, ID=5A	-	38	44	mΩ
		VGS=3.9V, ID=5A	-	39	45	mΩ
		VGS=2.5V, ID=3A	-	50	64	mΩ
Прямое падение напряжения на диоде	VSD	IS=2A, VGS=0V	0.5	0.69	0.90	V
Максимальный продолжительный постоянный ток подложка-диод	IS				4.5	A

Эти параметры приведены для условий рабочей температуры 30..70^oC:

Параметр	Мнем.	Условия измерения	Min.	Typ.	Max	Ед.	*1
Порог детектирования напряжения перезаряда	VDET1	R1=1.0kΩ	4.180	4.225	4.270	V	B
Порог напряжения отпускания защиты от перезаряда	VREL1	R1=1.0kΩ	3.955	4.025	4.095	V	B
Порог детектирования напряжения переразряда	VDET2	V-=0V, R1=1.0kΩ	2.420	2.500	2.580	V	D
Порог напряжения отпускания защиты от переразряда	VREL2	R1=1.0kΩ	2.790	2.905	3.010	V	D
Порог напряжения защиты от превышения тока разряда	VDET3	VDD=3.0V, R2=2.2kΩ	0.130	0.150	0.170	V	F
Порог напряжения защиты от превышения тока заряда	VDET4	VDD=3.5V, R2=2.2kΩ	-0.190	-0.150	-0.110	V	G
Напряжение детектирования короткого замыкания	VSHORT	VDD=3.0V	VDD-1.2	VDD-0.9	VDD-0.6	V	F
Время задержки срабатывания защиты от перезаряда	tVDET1	VDD=3.6V -> 4.6V	0.60	1.00	1.50	с	B
Время задержки отпускания защиты от перезаряда	tVREL1	VDD=4.6V -> 3.6V	1.2	2.0	3.0	мс	B
Время задержки срабатывания защиты от переразряда	tVDET2	VDD=3.6V -> 2.2V	57.6	96.0	144.0	мс	D
Время задержки отпускания защиты от переразряда	tVREL2	VDD=2.2V -> 3.6V	2.4	4.0	6.0	мс	E
Время задержки срабатывания защиты от превышения тока разряда	tVDET3	VDD=3.0V, V-=0V -> 1.0V	7.2	12.0	18.0	мс	F
Время задержки отпускания защиты от превышения тока разряда	tVREL3	VDD=3.0V, V-=3V -> 0V	2.4	4.0	6.0	мс	F
Время задержки срабатывания защиты от превышения тока заряда	tVDET4	VDD=3.5V, V-=0V -> -1V	3.6	6.0	9.0	мс	G
Время задержки отпускания защиты от превышения тока заряда	tVREL4	VDD=3.5V, V-=-1V -> 0V	2.4	4.0	6.0	мс	G
Время задержки срабатывания защиты от короткого замыкания	tSHORT	VDD=3.0V, V-=0V -> 3.0V	200	400	800	мкс	F
Порог срабатывания защиты от превышения напряжения зарядного устройства	Vchg1	VDD=3.6V, R2=2.2kΩ	6.0	8.0	10.0	V	A
Порог отпускания защиты от превышения напряжения зарядного устройства	Vchg2	VDD=3.6V, R2=2.2kΩ	5.3	7.3	9.3	V	A

Примечание: *1 относится к схемам тестирования.

Рис. 1. Зависимость ID от VDS	Рис. 2. Зависимость RDS(ON) от ID
Рис. 3. Зависимость ID от VGS	Рис. 4. Зависимость RDS(ON) от температуры кристалла.
Рис. 5. Зависимость RDS(ON) от VGS	Рис. 6. Зависимость IDR от VSDF
Рис. 7. Зависимость VGS от Qg	Рис. 8. Зависимость C от VDS

[Схемы для тестовых измерений]

A			E
B			F
C			G
D			H

[Описание функционирования MP24AD]

Детектор перезаряда (Overcharge detector VD1). Схема VD1 мониторит напряжение вывода V_DD во время заряда. В состоянии заряда батареи, он детектирует перезаряд, если напряжение на её выводах становится больше, чем напряжение детектирования перезаряда (обычно 4.225V). И затем вывод C_OUT переключится в состояние низкого уровня, так что внутренний управляющий N-канальный MOSFET выключится, и запретит заряд батареи. 

После детектирования перезаряда, это состояние будет отменено, если напряжение V_DD станет меньше напряжения отпускания перезаряда (обычно 4.025V). Вывод C_OUT перейдет в высокий уровень, так что внутренний управляющий N-канальный MOSFET включится, и заряд батареи продолжится. 

Когда напряжение V_DD станет больше чем напряжение детектирования перезаряда, для отключения зарядного устройства и подключения нагрузки на выводе C_OUT остается низкий уровень, но нагрузка остается подключенной через паразитный диод внутреннего N-канального транзистора MOSFET. И если напряжение V_DD станет ниже, чем напряжение детектирования перезаряда, вывод C_OUT переходит в высокий уровень, так что внутренний N-канальный транзистор MOSFET включится, и разрешит заряд батареи. 

Детектирование перезаряда и возврат в исходное состояние имеют внутренние фиксированные задержки. Когда напряжение V_DD стало выше, чем напряжение детектирования перезаряда, если напряжение V_DD снова станет ниже, чем напряжение детектирования перезаряда на время в пределах задержки детектирования (типичное значение 1.00 с), то перезаряд не будет детектирован. Аналогично в состоянии перезаряда, когда V_DD снизится ниже напряжения перезаряда на время не более времени освобождения перезаряда (типичное значение 2 мс), то состояние перезаряда не будет отменено. 

Каскад выходного драйвера для вывода C_OUT имеет устройство сдвига уровня, так что будет выведено напряжение V- в качестве низкого уровня. Тип вывода C_OUT - выход CMOS, меняющий уровень между V_DD и V-. 

Детектор переразряда (Overdischarge detector VD2). Схема VD2 отслеживает уровень напряжения V_DD во время разряда. В состоянии разряда батареи переразряд детектируется, когда V_DD станет ниже, чем напряжение детектирования переразряда (типичное значение 2.500V). И тогда вывод D_OUT перейдет в состояние лог. 0, так что внутренний управляющий разрядом N-канальный транзистор MOSFET выключится, и это запретит дальнейший разряд батареи. 

Режим переразряда освобождается переводом D_OUT в состояние высокого уровня, если напряжение батареи возрастет больше, чем напряжение детектирования переразряда, как с подключением зарядного устройства, так и без него. Ток заряда предоставляется через паразитный диод N-канального MOSFET, когда напряжение V_DD станет ниже напряжения детектирования переразряда для подключенного зарядного устройства, и вывод D_OUT переходит в высокий уровень так что разряд может происходить, и N-канальный MOSFET включится, когда напряжение V_DD вырастет больше, чем напряжение детектирования переразряда. 

Когда напряжение батареи находится около 0V, если напряжение зарядного устройства выше, чем минимальное рабочее напряжение для заряда батареи от нулевого напряжения (максимум 1.2V), вывод C_OUT переходит в высокий уровень и разрешает подключение тока заряда. 

Детектирование переразряда имеет внутреннюю фиксированную задержку. Когда V_DD станет ниже напряжения детектирования переразряда на время, не превышающее задержку режима переразряда (типичное значение 96 мс), то состояние переразряда детектировано не будет. Кроме того, есть также задержка выхода из режима переразряда (типичное значение 4 мс). 

Когда все схемы остановлены, и после детектирования переразряда, подразумевается состояние сна/отключения (standby). В этом режиме ток потребления (ток standby) микросхемы снижается до максимально возможного значения (при VDD=2V, максимум 0.5 мкА). 

Тип вывода D_OUT - выход CMOS, уровень которого меняется между V_DD и V_SS. 

Детектор превышения тока разряда, детектор короткого замыкания (VD3, Детектор КЗ). В состояниях заряда и разряда VD3 отслеживает уровень вывода V-. Если V- станет выше, чем напряжение детектирования превышения тока разряда (типичное значение 0.150V) - из-за слишком большой нагрузки и т. п. - то произойдет детектирование состояния переразряда. Если V- станет выше напряжения детектирования короткого замыкания (типичное значение VDD-0.9V), то также будет детектирование состояния превышения тока разряда. И тогда вывод D_OUT перейдет в состояние низкого уровня, так что внутренний управляющий разрядом N-канальный транзистор MOSFET выключится, и это защитит батарею от слишком большого тока разряда. 

Детектирование превышения тока разряда имеет внутреннюю фиксированную задержку. Если длительность импульса тока превышения не более времени задержки детектирования (типичное значение 12 мс), то превышение тока не будет детектировано. Кроме того, есть также время задержки выхода из режима превышения тока разряда (типичное значение 4 мс). 

Также есть задержка детектирования короткого замыкания (типичное значение 400 мкс). 

Между выводами V- и V_SS встроено сопротивление для выхода из режима превышения тока разряда (типичное значение 50 kΩ). В состоянии превышения тока разряда или КЗ, если нагрузка отключится, то вывод V- будет притянут вниз к V_SS через это сопротивление. И тогда V- станет ниже напряжения детектирования превышения тока разряда, что автоматически приведет к выходу из режимов превышения тока разряда или КЗ. Этот резистор подключается только при активных режимах детектирования превышения тока разряда или КЗ. В нормальном состоянии (когда идет заряд или разряд батареи), сопротивление для выхода из режима превышения тока разряда отключено. 

Детектор превышения тока заряда (Charge overcurrent detector VD4). В состоянии заряда или разряда VD4 отслеживает уровень вывода V-. Если V- станет ниже, чем напряжение превышения тока заряда (типичное значение -0.150V) - из-за ненормально высокого напряжения зарядного устройства и т. п. - то будет детектировано состояние превышения тока заряда. Тогда вывод C_OUT перейдет в низкий уровень, так что внутренний управляющий зарядом N-канальный транзистор MOSFET выключится, и защитит батарею от слишком высокого тока заряда. 

Выход из режима превышения тока заряда произойдет при отключении неисправного зарядного устройства и подключении нагрузки. 

Детектирование превышения тока заряда имеет внутреннюю фиксированную задержку. Когда V- станет ниже напряжения превышения детектирования тока заряда на время, не превышающее времени задержки детектирования превышения тока заряда (типичное значение 6 мс), то не будет детектирован режим превышения тока заряда. Также есть время задержки выхода из режима детектирования превышения тока заряда (типичное значение 4 мс). 

Детектор превышения напряжения зарядного устройства. Этот узел отслеживает напряжение между выводами V_DD и V-, и когда напряжение станет выше, чем напряжение детектирования превышения напряжения зарядного устройства (типичное значение 8.0V), вывод C_OUT перейдет в состояние низкого уровня, и соответствующий внутренний N-канальный транзистор MOSFET выключится. И когда напряжение снизится ниже напряжения отпускания этой защиты (типичное значение 7.3V), то вывод C_OUT перейдет в состояние высокого уровня, и внутренний N-канальный транзистор MOSFET включится. Обратите внимание, что чем больше сопротивление резистора R2 (см. схему ниже), тем больше напряжение детектирования. 

Для этой функции нет задержки для срабатывания защиты и выхода из режима защиты.

[Пример схемы включения]

R1 и C1 снижают пульсации напряжения питания микросхемы. Но напряжения детектирования увеличиваются с увеличением резистора R1, так что значение R1 должно сохраняться 1 kΩ или менее. Кроме того выбор емкости для C1 должен быть минимум 0.1 мкф для обеспечения стабильной работы. 

R1 и R2 ограничивают ток, если зарядное устройство подключено в обратной полярности, или когда напряжение подключенного зарядного устройства превысило абсолютный максимум. R1 и R2 могут привести к превышению мощности рассеивания, так что сопротивление R1+R2 должно быть больше 1 kΩ. Кроме того, если R2 слишком велик, то отключение зарядного устройства не может быть иногда обнаружено после детектирования переразряда, так что подстройте значение R2 к номиналу 10 kΩ или менее. 

Конденсаторы C2 и C3 дают эффект стабилизации системы при воздействии пульсаций напряжения или внешних наведенных помех. После проверки характеристик работы схемы проверьте место подключения этих конденсаторов и их номинальную емкость. 

[Маркировка, размеры посадочного места (корпуса)]

[Ссылки]

1. Микросхема bq24030, bq24031, bq24032A, bq24035, bq24038 - контроллер зарядного устройства.
2. Микросхема bq24618 - контроллер зарядного устройства.