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【应用笔记】LTC4020多种类电池充电管理芯片使用总结

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发表于 2017-8-13 19:40:29 | 显示全部楼层 |阅读模式
一、芯片简介

        LTC4020是凌特推出的一款用于多种电池的充电管理芯片。具有以下特点:
        1. DCDC控制器部分为BUCK-BOOST同步升降压结构,输入电压4.5V - 55V,输出最高55V。适用于宽范围输入电源,能用于多种电芯串联数量。
        2. 具备输入电压功率调节用于高内阻电源如太阳能电池板。
        3. 具备充电电流动态调节功能,便于在充电过程中由BMS动态调节充电电流,例如在电池包被动均衡过程中。
        4. 集成充电定时器,避免电池长时间处于浮充状态。
        5. NTC接口,电池温度保护功能。
        6. 理想二极管通路。当未在充电时,或者是充电器断电的情况下,4020通过集成的PMOS驱动器开启电池到负载的回路,向负载供电。
        7. 过放电池立即充电功能,对于低于设定最低电压的电池,回路中的PMOS开关将会充当一个线性恒流控制器,以保证过放电池在充电的同时,负载输出电压能保持在设定的最低输出电压。

QQ截图20170813155912.png
二、典型应用

      其实在不同的方案中,LTC4020的作用也并没有多少差异。设计时,只需要根据电池类型设定充电模式,根据电池电压设定三个充电电压(充满,最低,最高)。运行过程中允许BMS动态调节充电电流,控制充电器的开启与关闭,剩下的工作,都可以交给4020来完成。BMS完成电芯平衡以及一些常规管理就差不多了。
       好了,话题还是拉回来,回到实际的情景中。
       从方案设计开始吧。LTC4020是几大模拟IC厂中性价比较高的为数不多的大电流BUCK-BOOST控制器与充电管理芯片。升降压拓扑能适应变化的输入电压范围,以及较低的压差。除了多节电池的平衡外,系统几乎不需要再进行多余的管理,这对于像我这样的方案设计新手来说,简直是方便懒人的神器。
        接下来看看原理图设计部分。
QQ截图20170813162025.png
        1. 引脚1,2,30,31,32,33,37,38是4个NMOS的栅极驱动引脚,这个不赘述了。

        2. 引脚4,5,6,7,是高低侧两个电流采样输入引脚。为什么是两个采样电阻,这里也不细究了,主要是需要注意4和7,SENSGND和SENSVIN,两个引脚,除了必须的开尔文连接,在实际的PCB Layout过程中,注意别和GND和VIN的铺铜铺到一起去了。之前看到论坛网友的帖子,就犯过这个错误,我自己也因为打了一个GND过孔,和功率GND铺铜连到一起去了,DCDC部分还正常,输出电流和纹波都能接受,就是充电电流上不去。

        3. 引脚8,RT,这是用于设定DCDC开关频率的引脚,这里所用的电阻对应的开关频率大家可以在手册21页找到。

        4. 引脚9,SHDN,停机控制引脚,阈值为1.225V。

        5. 引脚10,输入电压调节电压,阈值为2.5V,当输入电源因为不能再提供更高的电流而电压被拉低时,LTC4020将减小输出电流,从而降低输入电流消耗,以将输入电压保持在设定电压之上。

        6. 引脚11,MODE引脚,用于设定充电模式。
            ·连接到GND,是常规的CC/CV充电模式;
            ·连接到INTVCC(5V),开启用于铅酸电池的4步3段充电模式(预充/吸收/浮充),对应电压为(12V电池):10.1V,14.4V,13.3V。
            ·NC,悬空时,使能CC模式。充电器将会在整个定时器周期内保持最大输出电流,除了因为电池电压过低,导致PMOS上的压降超过30mV,此时充电电流将会下降,以限制PMOS上的功率消耗。

        7. 引脚12,13,STATE指示灯引脚,对应的状态在数据手册第29页。

        8. 引脚14,定时器周期设定引脚。用于设定整个充电周期的最长时间,公式在数据手册第9页。

        9. 引脚15,RNG/SS引脚,软启动与动态电流调节。常规的软启动功能就不多说了。RNG功能,用于调节最大输出电流,正常启动过程完成后,此 引脚上的电压与1V的比,等于限制的最大输出电流与原始最大输出电流的比。

QQ截图20170813175722.png
            需要注意的是,此引脚内部是50uA的恒流输出,建议通过改变外接对地电阻来设置此引脚电压,不建议使用DA。

        10. 引脚16,NTC引脚,连接电池包内部的NTC,用于监测电池包温度,超出范围将会自动关闭充电器。NTC常温10k,B值为3380,此时的温度范围为0°-40°。

        11. 引脚17,18,19,26.此4个引脚为3组电压反馈引脚。首先FBG引脚,是电压反馈分压电阻的公共地,此引脚在充电器没有上电时对地电阻很大,有效降低了电池通过电压反馈的分压电阻耗电(虽然不多,但是对于需要长期储存的BMS来说,也是可观的)。接着是VFBmin,VFBmax,这两个引脚用于设定负载输出的最高和最低电压。当电池电压低于最低电压时,PMOS将会充当线性降压,以保证负载电压不会低于设定的最低电压。当使能CC模式,在充电后期为了保证充电电流可能会提高输出电压,VFBmax用于设定最高电压,当负载输出达到最高电压后,充电电流将会降低以避免输出超过最高电压。VFB,是主要的电压反馈引脚,其采样点为电池,充电器的输出以电池端电压为依据,因此,实际布线过程中,至少要将VFB引脚当做平常的FB引脚来对待,隔离干扰源。

        12. 引脚20,21.BAT引脚一直与电池相连,当撤去充电器电源之后,4020将会通过BGATE打开PMOS,使得电池可以正常向负载供电。

        13. 引脚22,23,24,输出电流采样输入与单端信号输出。CSOUT为电流采样信号经内部20倍放大后的单端输出。

        14. 引脚25,Ilimit引脚,此引脚用于动态调节最大电感电流,与RNG引脚同理,这里不赘述了。

        15. 引脚27,28,VC与ITH引脚,VC是DCDC电流环补偿引脚;ITH是电压环补偿引脚。作为计算机专业的毕业生,这里就不暴露知识界限了。

        16. 引脚3,29,39,SGND引脚,注意芯片热焊盘是信号地,注意与功率地隔离。

        17. 引脚35,万恶的功率地,大家懂的。

        18. 引脚34,36,芯片电源输入与LDO输出。在使用内部LDO作为MOS驱动器电源时,一定注意使用低Ciss/Qg的MOS,手册中只建议使用逻辑电平的MOS,我的测试下来也是这么个情况,当然低内阻,低Ciss的MOS也是可以哒,起码6S6A还是没问题的。INTVCC引脚只提供5mA平均电流,和150mA的短路电流。注意,150mA这个数值不是用于参考LDO的最大输出电流,此时的电压都为0了,就别奢望低侧MOS能完全打开了,高侧也别想了。我想凌特给短路电流,是给大家一个参考的极限值,是的,我刚开始烧掉的几块4020,都是因为用了超大Ciss的MOS,电流大了还自激,唉,哪个小白不交点入门学费呢。

三、应用总结
       其实上面对引脚功能的介绍已经把要点差不多说到了。这里再附上一点注意事项调试经验吧。
        1. 首先,电压反馈线远离干扰源以及电流采样电阻的开尔文走线,老生常谈。
        2. 接着注意VFB才是实际的电压反馈引脚。
        3. 然后高输入电压和大电流输出应用肯定得使用外置供电了涩。芯片数据手册有说明,使用外置供电时,将Vin和INTVcc连接,一起接入外部供电。注意!注意!极限6V,为了保险我给的5.5V,记得给个容量较大的去耦电容。
        4. 最后,调试的时候,需要连接电子负载是请连接到负载输出接口,如果要连接到电池接口测试,请勿使用CC模式,此时充电器会处于“过放电池充电模式”与“正常充电模式”之间来回切换,输出电压在最低电压与浮充电压之间跳变。这很容易引起自激吧,当然也可能是我理解有误。

      此款芯片做的BMS方案公司已经用了半年多了,现在新的方案电路调试以完成,等嵌入式的代码。LTC4020最后一版的规格是6S锂电8A充电,最大10A充电电流,纹波一般在100-150mVpp,10A下的纹波我记不清楚了,150还是200左右。因为主管要求只能被动散热,4020在10A输出电流时MOS管已经50°- 60°的样子了。60V耐压,导通内阻小于5mR的MOS中,输入Ciss都不小了(当然,不考虑成本的情况另算),4020驱动起来比较吃力。

        新方案使用LT8390,充电电流10A起,目前被动散热条件下跑到6S11A,温度也差不多50° - 60°了,SON5x6封装的MOS,顶部温度是会比TO-252高一些。

        因为是公司在使用的方案,就不贴方案的原理图和PCB了,原理图的话,和官方DEMO没有什么差异,芯片功能已经很完善。我遇到(fan)的(de)问(cuo)题(wu)主要以PCB Layout为主,功能和指标上没有发现明显与手册有差异的地方,剩下的就主要是调试,MOS选型和散热方案上了。

        暂时就这些,大家有兴趣的就在回帖里讨论遇到的问题吧。社区里像这样针对我这样的新手的芯片应用帖子貌似并不多,希望大家多讨论吧。


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发表于 2017-8-15 09:33:04 | 显示全部楼层
感觉就是数据手册复制链贴而已
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发表于 2017-8-16 09:09:28 | 显示全部楼层
和我使用这款芯片一样的调试过程,如果能说一下两个地之间的逻辑关系,就更清晰了。
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发表于 2017-8-17 09:23:44 | 显示全部楼层
学习了!
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 楼主| 发表于 2017-8-20 16:28:37 | 显示全部楼层
吼吼-2037659 发表于 2017-8-16 09:09
和我使用这款芯片一样的调试过程,如果能说一下两个地之间的逻辑关系,就更清晰了。 ...

我的方案是,取电源输入地为接地点,控制器部分和功率部分从 不同的路径布置地线回路
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RuiJack 发表于 2017-8-20 16:28
我的方案是,取电源输入地为接地点,控制器部分和功率部分从 不同的路径布置地线回路 ...

我的 4020充电正常,就是空载很奇怪,电压老是虚高,往上飘,我从升压模式调节输入电压,输出电压就往上飙,吓死我了。但我一挂上电池,怎么调节输入,输出电压都ishi正常的 。
是不是我VFB_MAX这里的布线不正常?
还有4020的PGND到底怎么连?我看DEMO    35脚 PGND 好像就近连芯片底部的39脚SGND 了。
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发表于 2017-9-14 11:12:03 | 显示全部楼层

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 楼主| 发表于 2017-9-17 14:01:02 | 显示全部楼层
zhangpanpan 发表于 2017-9-11 01:08
我的 4020充电正常,就是空载很奇怪,电压老是虚高,往上飘,我从升压模式调节输入电压,输出电压就往上 ...

应该是你的VFB_MAX回路有一定问题,或者你的DCDC部分在空载情况下不在正常状态。GND的话,至少保证SGND区域没有功率电流回路应该还是可以直接连PGND的
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发表于 2017-10-5 15:49:39 | 显示全部楼层


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发表于 2017-10-12 10:59:12 | 显示全部楼层
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