新型智能锂离子电池充电控制器LTC4007应用设计
1.引言
随着高科技的发展，各种电子产品不断走向低功耗、微型化，以便于人们在生活中随身携带使用。这些产品有一个共同的特点，就是利用电池作为供电电源，比如手机、mp4、便携式测量设备等产品。电池的种类很多，当前广泛使用的是锂离子电池，这种电池与传统的铅酸和镍镉等电池相比，具有比能量高、自放电小、工作电压高、使用寿命长、污染小等优点，但锂离子电池也有自身的缺点，其对充电电流、电压、温度等都有严格要求，稍不小心，就可能导致电池受损、报废。
本文介绍的ltc4007egn芯片是linear公司新推出的一款锂离子电池智能充电控制器，其依据锂离子电池特性定制，具备对三节或四节锂离子电池组进行大电流恒流、恒压、定时充电、过热保护等多种功能，实际应用表明，该控制器能对锂电池组进行大电流充电，同时其小型ssop24封装特别适合应用于集成度高、电路板空间有限的场合。
2.控制器简介
ltc4007封装如图1所示，其具有以下性能特点：
（1）对3节或4节锂离子电池组充电；
（2）转换效率高达96%;
（3）输出最大电流超过4a;
（4）充电电压精度可达±0.8%;
（5）内置过热保护功能；
（6）具备交流适配器电流限制功能；
（7）充电电流输出监测；
（8）工作状态标示：充电、c/10充电电流、适配器连接、电池低电压、输入电流限制、故障。
ltc4007是一种恒流/恒压的锂离子电池充电控制器，具有同步、准恒定频率、恒定关断时间的pwm控制结构，在使用陶瓷电容的情况下也不会产生听的见的噪声。利用电流设置电阻可以将充电电流精度控制到±5%，充电电流的大小通过控制器prog管脚输出的电压监测。
充电电压通过控制器编程管脚可以设置为3节或4节，每节电压可设置为4.2v或4.1v.充电时间通过外部定时电阻设定。当电池电压低于3.9v/节时，控制器可以自动开始充电。
当每节电池电压低于2.5v时，电池电压过低标示警告，利用此标示ltc4007能设计自动涓流起始充电功能，避免损坏电池，当充电时间达1/4总充电时间，电池仍为低电压时停止充电，显示故障标示。
3.工作原理
ltc4007典型应用原理图如图2所示。结合原理图按功能对其工作原理进行介绍。
3.1 电池充电控制
充电时，应先连接待充电电池，然后开启电源进行充电，控制器首先检查电池电压，当电池电压低于2.5v/节时，先进行涓流充电，待电池电压上升到2.5v以上，进入恒流充电阶段，电池电压不断上升，当达到设定电压时，进入恒压充电阶段，直至充电定时时间截止。
充电过程中，控制器通过tgate、bgate管脚驱动pmos管q1和nmos管q2的周期通断来实现电池的充电控制。每个周期过程中，控制器首先驱动开启q1，关闭q2，外部电源对电池进行瞬间充电，然后关闭q1，开启q2，电池进行瞬间放电。 tgate、bgate的电平时序图如图3所示。
3.2 电流设定
ltc4007能通过电阻rcl和rsense设定适配器的最大输出电流（0.1v/rcl）和最大充电电流（0.1v/rsense）。设计常用的参数如表1和表2所示。
从表1和表2可知，图2中适配器的最大输出电流为3a左右，最大充电电流均为3a.
3.3 充电电压设定
ltc4007通过管脚3c4c和chem设定充电电压。管脚3c4c设定电池节数，逻辑低时，表示3节；逻辑高时，表示4节。管脚chem设定每节电池充电电压，逻辑低时，表示4.1v/节；逻辑高时，表示4.2v/节。管脚接地时表示逻辑低，管脚悬空时表示逻辑高。表3详细描述了不同设定下的充电电压值vfinal.由此可知，图2中的充电电压设定为16.8v.
3.4 定时时间设定
正常充电时间通过连接在管脚rt端的定时电阻rt设定，范围为1~3小时，误差在±15%以内。定时时长ttimer用公式表示：
ttimer=rt/154kω（小时） （1）
根据上述公式可知图2中的定时时长为2小时左右。
3.5 过热保护
ltc4007的管脚ntc端外接一个ntc热敏电阻网络，控制器内部不断采样该管脚的电压值，即热敏电阻网络输出的电压值来判断电池温度是否在安全范围内，图2中由器件c7、r9、thermistor热敏电阻组成。当电压值超过设定的安全范围，则充电暂停，当电压值恢复到安全范围后，充电继续。通过在dcin和ntc管脚间接入一个电阻可以禁止过热保护功能。
3.6 涓流充电
当锂离子电池电量耗尽时，直接对其进行大电流充电容易损坏电池，需先进行小电流充电，即涓流充电，当电池电压达到一定值之后再进行大电流充电。
图2中，ltc4007能自动对电压小于2.5v/节的电池进行涓流充电，充电电流为一般为1c的 10%.当监测到电池电压小于2.5v/节时，管脚lobat 低电平，q4关闭，连接在管脚prog的电阻则增大rprog=r6+r14，充电电流将减小，为300ma左右；当电池电压高于2.5v/节时，管脚 lobat高电平，q4短接r14，连接在管脚prog的电阻变小，rprog=r6，充电电流将增至3a.
4.应用实例
实际应用中需对4节锂离子电池组成的电池组（4.2v/节）进行充电，充电电流大小为4a，充电时间需3小时左右。
根据应用需求，设计中ltc4007管脚3c4c和chem悬空，即充电电压为16.8v;电阻rcl取0.025ω，即适配器输出电流限制在4a左右；电阻rsense取0.025ω，即充电电流限制为4a;电阻rt取499k，即充电时间为3小时左右。
ltc4007控制器通过检测电阻rsense两端的电压来控制恒流充电，因此，此处电压检测的准确性将影响到控制器能否正常进行充电。pcb设计中，在rsense两端需采用kelvin连接方式，如图4所示。rsense接至控制器管脚csp和 bat端，其csp和bat需差分走线，且走线长度尽量短。
在ltc4007的pcb设计中，除上述kelvin连接外还需注意一下几个方面的问题。
（1）设计大电流充电时，需考虑线宽和相关芯片的散热，尤其是mos开关管；
（2）电源输入端电容尽量接近infet管和地端，且这部分需位于电路板同一面；充电输出端电容尽量接近电阻rsense;
（3）充电回路尽量短，且相关器件需位于电路板同一面；
（4）电路模拟地和信号地需分开，最后通过0ω电阻短接，相关元器件接地端需就近接地，同时敷地铜以改善emi性能。
充电电路板对锂离子电池组充电的试验测试数据如表4所示。锂离子电池组初始电压为15.2v.
5.结束语
单节锂离子电池小电流充电控制器种类繁多，但多节锂离子电池组大电流充电的智能控制器较少，linear公司推出的ltc4007智能充电控制器具有封装小，能根据设计需求设定充电电压、充电电流，同时具备限流、定时、过热保护的功能，其提供的各种状态标示接口，能满足扩展设计的需求。在实际应用中，以ltc4007控制器为核心设计的充电器能对4节锂电池组成的电池组进行4a大电流，各项指标均达到设计需求。
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本文介绍的ltc4007egn芯片是linear公司新推出的一款锂离子电池智能充电控制器，其依据锂离子电池特性定制，具备对三节或四节锂离子电池组进行大电流恒流、恒压、定时充电、过热保护等多种功能，实际应用表明，该控制器能对锂电池组进行大电流充电，同时其小型ssop24封装特别适合应用于集成度高、电路板空间有限的场合。
2.控制器简介
ltc4007封装如图1所示，其具有以下性能特点：
（1）对3节或4节锂离子电池组充电；
（2）转换效率高达96%;
（3）输出最大电流超过4a;
（4）充电电压精度可达±0.8%;
（5）内置过热保护功能；
（6）具备交流适配器电流限制功能；
（7）充电电流输出监测；
（8）工作状态标示：充电、c/10充电电流、适配器连接、电池低电压、输入电流限制、故障。
ltc4007是一种恒流/恒压的锂离子电池充电控制器，具有同步、准恒定频率、恒定关断时间的pwm控制结构，在使用陶瓷电容的情况下也不会产生听的见的噪声。利用电流设置电阻可以将充电电流精度控制到±5%，充电电流的大小通过控制器prog管脚输出的电压监测。
充电电压通过控制器编程管脚可以设置为3节或4节，每节电压可设置为4.2v或4.1v.充电时间通过外部定时电阻设定。当电池电压低于3.9v/节时，控制器可以自动开始充电。
当每节电池电压低于2.5v时，电池电压过低标示警告，利用此标示ltc4007能设计自动涓流起始充电功能，避免损坏电池，当充电时间达1/4总充电时间，电池仍为低电压时停止充电，显示故障标示。
3.工作原理
ltc4007典型应用原理图如图2所示。结合原理图按功能对其工作原理进行介绍。
3.1 电池充电控制
充电时，应先连接待充电电池，然后开启电源进行充电，控制器首先检查电池电压，当电池电压低于2.5v/节时，先进行涓流充电，待电池电压上升到2.5v以上，进入恒流充电阶段，电池电压不断上升，当达到设定电压时，进入恒压充电阶段，直至充电定时时间截止。
充电过程中，控制器通过tgate、bgate管脚驱动pmos管q1和nmos管q2的周期通断来实现电池的充电控制。每个周期过程中，控制器首先驱动开启q1，关闭q2，外部电源对电池进行瞬间充电，然后关闭q1，开启q2，电池进行瞬间放电。 tgate、bgate的电平时序图如图3所示。
3.2 电流设定
ltc4007能通过电阻rcl和rsense设定适配器的最大输出电流（0.1v/rcl）和最大充电电流（0.1v/rsense）。设计常用的参数如表1和表2所示。
从表1和表2可知，图2中适配器的最大输出电流为3a左右，最大充电电流均为3a.
3.3 充电电压设定
ltc4007通过管脚3c4c和chem设定充电电压。管脚3c4c设定电池节数，逻辑低时，表示3节；逻辑高时，表示4节。管脚chem设定每节电池充电电压，逻辑低时，表示4.1v/节；逻辑高时，表示4.2v/节。管脚接地时表示逻辑低，管脚悬空时表示逻辑高。表3详细描述了不同设定下的充电电压值vfinal.由此可知，图2中的充电电压设定为16.8v.
3.4 定时时间设定
正常充电时间通过连接在管脚rt端的定时电阻rt设定，范围为1~3小时，误差在±15%以内。定时时长ttimer用公式表示：
ttimer=rt/154kω（小时） （1）
根据上述公式可知图2中的定时时长为2小时左右。
3.5 过热保护
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3.6 涓流充电
当锂离子电池电量耗尽时，直接对其进行大电流充电容易损坏电池，需先进行小电流充电，即涓流充电，当电池电压达到一定值之后再进行大电流充电。
图2中，ltc4007能自动对电压小于2.5v/节的电池进行涓流充电，充电电流为一般为1c的 10%.当监测到电池电压小于2.5v/节时，管脚lobat 低电平，q4关闭，连接在管脚prog的电阻则增大rprog=r6+r14，充电电流将减小，为300ma左右；当电池电压高于2.5v/节时，管脚 lobat高电平，q4短接r14，连接在管脚prog的电阻变小，rprog=r6，充电电流将增至3a.
4.应用实例
实际应用中需对4节锂离子电池组成的电池组（4.2v/节）进行充电，充电电流大小为4a，充电时间需3小时左右。
根据应用需求，设计中ltc4007管脚3c4c和chem悬空，即充电电压为16.8v;电阻rcl取0.025ω，即适配器输出电流限制在4a左右；电阻rsense取0.025ω，即充电电流限制为4a;电阻rt取499k，即充电时间为3小时左右。
ltc4007控制器通过检测电阻rsense两端的电压来控制恒流充电，因此，此处电压检测的准确性将影响到控制器能否正常进行充电。pcb设计中，在rsense两端需采用kelvin连接方式，如图4所示。rsense接至控制器管脚csp和 bat端，其csp和bat需差分走线，且走线长度尽量短。
在ltc4007的pcb设计中，除上述kelvin连接外还需注意一下几个方面的问题。
（1）设计大电流充电时，需考虑线宽和相关芯片的散热，尤其是mos开关管；
（2）电源输入端电容尽量接近infet管和地端，且这部分需位于电路板同一面；充电输出端电容尽量接近电阻rsense;
（3）充电回路尽量短，且相关器件需位于电路板同一面；
（4）电路模拟地和信号地需分开，最后通过0ω电阻短接，相关元器件接地端需就近接地，同时敷地铜以改善emi性能。
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