SY6912A: эффективный контроллер заряда аккумуляторов | hardware

Микросхема SY6912A представляет собой однокристальный контроллер зарядного устройства с широким диапазоном входных напряжений 4.0V .. 23V, током зарядки до 2A, предназначенный для заряда многоячеечных батарей аккумуляторов Li-Ion. Микросхема работает по принципу импульсного DC-DC преобразователя, обладает высокой энергоэффективностью, имеет миниатюрный корпус SO8E и хорошо подходит для портативных переносных устройств. Ножка выбора количества аккумуляторных ячеек позволяет удобно выбрать конфигурацию зарядного устройства. DC-DC понижающий синхронный преобразователь работает на частоте 800 кГц и содержит встроенные мощные ключи FET, поддерживающие преобразование входного напряжения до 25V.

• Широкий диапазон входных напряжений 4.0V .. 23V.
• Высокоэффективный, синхронный Buck-регулятор с фиксированной рабочей частотой 800 кГц.
• Возможность выбора количества включенных последовательно заряжаемых аккумуляторных ячеек.
• Режимы зарядки Trickle Current (поддерживающий ток) / Constant Current (постоянный ток) / Constant Voltage (постоянное напряжение).
• Программируемый (до 2A максимум) ток зарядки постоянным током.
• Программируемый таймер зарядки.
• Система защиты входного напряжения UVLO и защиты от перенапряжения батареи (Battery OVP).
• Защита от перегрева.
• Защита от короткого замыкания.
• Система автоматического выключения, предотвращающая обратный ток от аккумулятора.
• Индикация состояния процесса зарядки.
• Нормальная работа синхронного Buck-преобразователя, когда батарея удалена.
• Компактный корпус SO8E.

• Сотовые телефоны, смартфоны.
• PDA, плееры MP3 и MP4.
• Цифровые камеры.
• Устройства Bluetooth.
• Портативные игровые приставки типа PSP, NDS.
• Ноутбуки.

Маркировка сверху: AIQxyz, где AIQ код устройства, x код года, y код недели, z код номера лота.

Параметры SY6912A

Предельные абсолютные значения⁽¹⁾.

Параметр		Значение
CEL, NTC, STAT		-0.5 .. +32V
IN, BAT, LX		-0.5 .. +25V
TIM		-0.5 .. +3.6V
RS		(BAT-0.3V) .. (BAT+0.3V)
Постоянный непрерывный ток LX		2.5A
Рассеиваемая мощность P_D при T_A = 25°		3.3 Вт
Термосопротивление корпуса⁽²⁾
	θ_JA	30°C/W
	θ_JC	20°C/W
Температура кристалла		-40°C .. 150°C
Температура вывода (пайка, 10 сек.)		260°C
Температура хранения		-65°C .. 125°C
Восприимчивость к ESD⁽²⁾
	HBM (Human Body Model)	2kV
	MM (Machine Model)	200V

Рекомендуемые рабочие условия⁽³⁾.

Параметр	Значение
CEL, NTC, STAT	-0.3 .. +30V
IN, BAT, LX	-0.3 .. +23V
TIM	-0.3 .. +3.6V
RS	(BAT-0.1V) .. (BAT+0.1V)
Постоянный непрерывный ток LX	2A
Температура кристалла	-20°C .. 125°C
Температура окружающей среды	-40°C .. 85°C

Примечания:

(1) Показанные предельные стрессовые значения, доходящие до абсолютных максимальных и прешающие их, могут необратимо повредить устройство. Стрессовые значения указаны только для для справки, Не гарантируется описанное нормальное функционирование устройства с такими параметрами. Долгое воздействие максимальных значений может повлиять на надежность устройства.
(2) θ_JA измеряется в нормальных условияз при T_A = 25°C, на четырехслойной тестовой печатной плате с низкой эффективностью отвода тепла, в соответствии со стандартом JEDEC 51-3 thermal measurement.
(3) Работа устройства вне указанных рабочих параметров не гарантируется.

[Электрические характеристики]

Параметры указаны для условий T_A=25°C, V_IN=15V, GND=0V, C_IN=1мкФ, L_B=2.2мкГн, R_S=25mΩ, C_TIM=470нФ, если не указано нечто другое.

Символ	Параметр	Условия	min	Typ	MAX	Ед.
*Входное питание (V_IN)*
V_IN	Напряжение питания		4.0		23	V
V_UVLO	Порог срабатывания защиты от слишком низкого питания	V_IN нарастает и измерено относительно GND			3.9	V
ΔV_UVLO	Гистерезис защиты от слишком низкого питания	V_IN измеряется относительно GND		190		mV
V_OVP	Защита от перенапряжения по входу	V_IN нарастает и измерено относительно GND			24	V
ΔV_OVP	Гистерезис защиты от перенапряжения по входу	V_IN измеряется относительно GND		750		mV
Токи утечки
I_BAT	Ток разряда батареи	NTC подтянут к уровню GND			25	mkA
I_IN	Ток от внешнего источника питания	Зарядка запрещена			2.0	mA
Генератор и PWM (ШИМ)
f_OSC	Частота генератора		640	800	960	кГц
D	Скважность PFET периода				100	%
Power MOSFET
R_NFET	R_DS(ON), сопротивление октрытого канала сток-исток ключа N-FET			150		mΩ
R_PFET	R_DS(ON), сопротивление открытого канала сток-исток ключа P-FET			160		mΩ
Регулировка напряжения
V_CV	Заряд одного Li-Ion элемента	0°C ≤ T_A ≤ 70°C	4.16	4.20	4.24	V
	Заряд двух Li-Ion элементов		8.32	8.40	8.48
	Заряд трех Li-Ion элементов		12.48	12.6	12.72
ΔV_RCH	Заряд одного Li-Ion элемента	0°C ≤ T_A ≤ 70°C	50	100	150	mV
	Заряд двух Li-Ion элементов		100	200	300
	Заряд трех Li-Ion элементов		150	300	450
V_TRK	Заряд одного Li-Ion элемента	0°C ≤ T_A ≤ 70°C	2.2	2.5	2.8	V
	Заряд двух Li-Ion элементов		4.4	5.0	5.6
	Заряд трех Li-Ion элементов		6.6	7.5	8.4
Детектирование подключенной батареи
V_DET	Порог напряжения детектирования батареи	V_SHOT < V_BAT < V_RCH	80%		90%	V_IN
t_DET	Время задержки срабатывания детектирования батареи	V_SHOT < V_BAT < V_RCH		30		мс
Ток зарядки
	Внутренняя точность тока заряда для режима зарядки постоянным током (Constant Current Mode)	I_CC=25mV/R_S	-10%		10%
	Внутренняя точность тока заряда для режима зарядки током поддержки (Trickle Current Mode)	I_TC=2.5mV/R_S	-50%		50%
Защита от перенапряжения на выходе (OVP)
V_OVP	Порог защиты перенапряжения на выходе		108%	113%	118%	V_CV
Защита от короткого замыкания на выходе
V_SHOT	Порог срабатывания защиты от КЗ на выходе	На спаде уровня V_BAT	1.70	2.00	2.30	V
f_FBK	Частота попыток возврата в рабочий режим	V_BAT < 2V		12.5%		f_OSC
I_LM	Ограничение тока Power FET			4.0		A
Таймер
T_TC	Таймаут зарядки режима Trickle Current	C_TIM=330нФ	0.425	0.5	0.575	час
T_CC	Таймаут зарядки режима Constant Current	C_TIM=330нФ	3.825	4.5	5.175	час
T_MC	Задержка изменения режима зарядки			30		мс
T_TERM	Задержка прекращения заряда			30
T_RCHG	Задержка возобновления заряда			30
Термозащита батареи NTC
UTP	Защита от слишком низкой температуры		70%	75%	80%	V_IN
UTP	Гистерезис защиты от слишком низкой температуры	При понижении температуры		5%
OTP	Защита от перегрева		28%	30%	32%
OTP	Гистерезис защиты от перегрева	При повышении температуры		2%
Автоматическое выключение
ΔV_ASD	Гистерезис порога ASD (Auto ShutDown)	Измеряется между V_IN и V_BAT	140	280	420	mV
Отключение при перегреве
TSD	Температура, при которой происходит выключение (Thermal ShutDown)	Порог при повышении температуры		160		ºC
TSDHYS	Гистересис температуры выключения при перегреве			20		ºC

Индикация процесса зарядки. Состояние зарядки можно отслеживать по изменению состояния ножки STAT:

Charging-In-Process (нормальный процесс заряда) - удержание лог. 0 на ножке STAT.

Charging Done (зарядка завершена) - удержание лог. 1 на ножке STAT.

Fault Mode (ошибка) - попеременное переключение между уровнями лог. 1 и до лог. 0, частота 0.5 Гц при емкости C_TIM = 330нФ.

Таким образом, если подключить светодиод LED между V_IN и STAT (через токоограничивающий резистор), то свечение LED будет показывать, что зарядка идет, погашенный LED будет показывать завершение зарядки, а мигание LED покажет Fault Mode.

Buck-регулятор. Если Li-Ion батарея была неожиданно удалена, то онапряжение на выводе NTC повысится до уровня выше 90% V_IN. Тогда устройство будет работать в нормальном режиме пикового тока, управляемого синхронным buck-преобразователем, и выходное напряжение на ножке BAT регулируется до уровня VCV. В этом режиме система регулирования постоянного тока остается активной, но запрещены функции таймаута зарядки, прекращения зарядки и тока поддержки (trickle current).

Защита от перегрева. Термозащита активна как для батареи, так и для самой микросхемы. SY6912A возобновит нормальную работу, когда температура вернется в диапазон допустимой.

Защита от КЗ (UVLO). Когда напряжение VBAT становится ниже порога защиты от короткого замыкания, то активизируется защита от КЗ. В режиме заряда скважность частоты переключения уменьшается до 12.5% от значения по умолчанию, и VC уменьшается до 20% от максимума. Таймер trickle charging остается активным, и будет отслеживать окончательный таймаут микросхемы. В режиме Buck скважност уменьшается до 12.5% от значения по умолчанию, и периодически инициируется запуск VC.

Защита от превышения тока. Для этой защиты внутренняя система регулирования с различными постоянными времени всегда остается активной, не зависимо от текущего режима Buck или режима Battery Charging.

Защита от перенапряжения батареи (OVP). Когда напряжение VBAT становится выше порога этой защиты, независимо от того, подключена батарея или нет, микросхема выключается и вернется в обратное рабочее состояние, когда напряжение VBAT вернется к нормальному уровню. Входное напряжение обрабатывается ситемами UVLO и OVP, которые выключают микросхему и восстанавливают её нормальный рабочий режим, когда V_IN переходит в диапазон нормального уровня.

Защита по таймауту. Программируется таймаут как для режима тока поддержки заряда (Trickle Current Charging), так и режима заряда постоянным током (Constant Current Charging). Когда таймаут срабоал, микросхема останавливает работу зарядки и защелкивается в выключенное состояние. Перезапуск возможен только переподключением батареи или входного напряжения, тогда логика защелки сбрасывается и микросхема снова входит в рабочий режим.

Графики рабочих характеристик

Характеристики приведены для условий T_A=25°C, V_IN=5V, R_S=12.5mΩ, батарея Li-Ion с одной ячейкой, если не указано нечто другое.


Рис. 4. Зависимость эффективности от тока зарядки (режим Constant Voltage).	Рис. 5. Зависимость эффективности от напряжения зарядки (режим Constant Current).

Рис. 6. Включение питания.	Рис. 7. Выключение питания.

Рис. 8. Ток зарядки, мягкий старт.	Рис. 9. Состояние зарядки постоянным током.

Рис. 10. Короткое замыкание батареи.	Рис. 11. Короткое замыкание выхода в режиме Buck-регулятора.

Из-за высокоинтегрированной начинки SY6912A схема её включения получается очень простой. Нужны только входной конденсатор C_IN, выходной конденсатор C_OUT, индуктивность L, NTC-резисторы R1, R2, резистор датчика тока зарядки R_S и коденсатор таймера C_TIM, значения которых должны быть выбраны в соответстви с параметрами целевого приложения.

Резисторы делителя NTC. SY6912A мониторит температуру батареи путем измерения уровня входного напряжения и напряжения на выводе NTC. Контроллер вызывает срабатываение UTP или OTP, когда коэффициент K (K = V_NTC/V_IN) достигает порога UTP (K_UT) или OTP (K_OT). Цепочка измерения температуры R1 и R2 программирует корректные значения UTP и OTP.

Для вычисления номиналов R1 и R2 выполните следующие шаги:

3. Предпологается, что сопротивление NTC-термистора батареи равно R_UT на пороге UTP, и R_OT на пороге OTP.

K_OT(1 - K_UT)R_UT - K_UT(1 - K_OT)R_OT
R2 = ---------------------------------
K_UT - K_OT

Если выбраны типовые значения K_UT = 75% и K_OT=30%, тогда:

Резистор датчика тока зарядки R_S. Номинал датчика тока R_S вычисляется (в миллиомах) по формуле:

Конденсатор таймера C_TIM. Время зарядки программируется конденсатором, поключенным между выводом TIM и GND. Его емкость (в микрофарадах) вычисляется по формуле:

Время зарядки в этой формуле T_CC задается в секундах.

Входной конденсатор C_IN. Ток пульсаций через входной конденсатор превышает значение:

Для минимизации потенциальной проблемы шума поместите типовой керамический конденсатор X7R или лучшего качества как можно ближе к выводам IN и GND. Позаботьтесь о том, чтобы минимизировать длину цепочек, формируемых выводами C_IN и IN/GND.

Выходной конденсатор C_OUT. Этот конденсатор выбирается в соответствии с требованиями по выходным пульсациям. При выборе этого конденсатора должны учитываться как требования по пульсациям как к постоянному уровню, так и при скачках напряжения. Для лучших параметров рекомендуется применять керамический конденсатор X7R или конденсатор лучшего качества емкостью 10 мкФ. Минимальная емкость выходного конденсатора может быть определена по формуле:

Здесь V_RIPPLE это размах выходных пульсаций от пика до пика, I_CC установленный ток зарядки.

Выходная индуктивность L. При выборе параметров индуктивности нужно учитывать несколько факторов.

1) Индуктивность выбирается для обеспечения желаемого уровня тока пульсаций. Рекомендуется выбрать ток пульсаций на уровне 40% от среднего входного тока. Индуктивность вычисляется по формуле:

Здесь F_SW это частота переключения, и I_OUT,MAX максимальный ток нагрузки.

Микросхема SY6912A допускает различные амплитуды тока пульсаций. Как следствие конечный выбор индуктивности может отклоняться от расчетных значений без существенного влияния на рабочие характеристики.

2) Ток насыщения индуктивности должен быть выбран больше, чем пиковый ток через индуктивность при условиях полной нагрузки.

V_OUT(1 - V_OUT/V_IN,MAX)
I_SAT,MIN > I_OUT,MAX + --------------------
2 * F_SW * L

3) Активное сопротивление DCR индуктивности и основные потери на частоте переключения должны быть достаточно низкими, чтобы обеспечить желаемую энергоэффективность. Желательно выбрать индуктивность с DCR < 10 мОм, чтобы получить самую лучшую общую эффективность.

Разводка печатной платы. Конфигурация дорожек для SY6912A относительно проста. Для лучшей эффективности и минимальных проблем с шумами нужно как можно ближе к корпусу микросхемы разместить компоненты C_IN и L.

1) Желательно как можно больше сделать заливку полигонами земли GND, чтобы обеспечить улучшенный отвод тепла и минимум помех. Если позволяет пространство на печатной плате, то заливка медью земли должна быть как можно больше.

2) C_IN должен быть как можно ближе к выводам IN и GND. Цепи, формируемые C_IN, должны быть как можно короче. На рисунке ниже показана рекомендуемая разводка дорожек для C_IN.

3) Область меди, связанная с выводом LX, должна быть минимизирована, чтобы снизить помехи.

4) Конденсатор C_TIM и дорожка до вывода TIM не должны быть близко с цепью LX, чтобы избежать проблем с шумом. Лучше всего земляной вывод C_TIM соединить с земляным выводом выходного конденсатора.

Информацию по закупке, размером посадочного места на плате см. в даташите [1].