單芯片移動電源方案——1A同步升壓5V--TP4351B

 

概述

 　　TP4351B是一款專為移動電源設計的同步升壓的單芯片解決方案，內部集成了線性充電管理模塊、同步放電管理模塊、電量監測與LED指示模塊、保護模塊。內置充電與放電功率MOS管。

充電電流可設置，最大充電電流1A，同步升壓支持1A輸出電流。

　　TP4351B內部集成了溫度補償、過溫保護、過充與過放保護、輸出過壓保護。輸出重載保護、輸出短路保護等多重安全保護功能以保證芯片和鋰離子電池的安全，應用電路簡單，

只需很少的元件便可實現充電管理和放電管理。

特點

• 放電輸出5V/1A
• 充電電流最大1A
• 效率：91%（輸入3.7V，輸出5V/1A）
• BAT放電截止電壓：2.9V
• 最大25uA待機電流
• 智能溫度控制與過溫保護
• 集成輸出過壓保護、短路保護、重載保護
• 集成過充和過放保護
• 支持涓流模式以及零電壓充電
• 支持手電筒功能，最大輸出100mA
• 封裝形式：sop16

應用

移動電源

典型應用電路

紅色路徑為大電流路徑

圖1

管腳

 

 

圖2

 

管腳描述

管腳號	管腳名稱	描述
1	SW	升壓功率NMOSFET的漏極
2	SW	升壓功率NMOSFET的漏極
3	PGND	功率地
4	PGND	功率地
5	AGND	模擬地
6	VDD	電源輸入端
7	BAT	鋰離子電池正極
8	LED4	PMOS漏極輸出電量指示端，外接電量指示LED到地
9	LED3	PMOS漏極輸出電量指示端，外接電量指示LED到地
10	LED2	PMOS漏極輸出電量指示端，外接電量指示LED到地
11	LED1	PMOS漏極輸出電量指示端，外接電量指示LED到地
12	LIT	NMOS開漏手電筒照明輸出端，可以驅動100mA的LED燈用於手電筒照明
13	OUTN	升壓輸出負極端
14	OUTP	升壓輸出正極端以及輸出電壓采樣端
15	SWT	手電筒和電量指示使能端，按鍵接到地，短按按鍵顯示電量，長按按鍵1.5s手電筒打開或關閉
16	ISET	充電電流設定端，外接一電阻到GND用於設定充電電流

極限參數

參數	額定值	單位
PGND to AGND電壓	-0.3+0.3	V
其他引腳電壓	-0.3~+7	V
充電電流	1.2	A
儲存環境溫度	-50~+150	℃
工作結溫范圍	-40~+150	℃
HBM	2000	V
MM	200	V

 推薦工作范圍

符號	參數	參數范圍	單位
VDD	充電輸入電壓	4.5~5.5	V
Ic	充電電流	小於等於1	A
Top	工作環境溫度	-20~+85	℃

 

注1；最大極限值是指超出該工作范圍芯片可能會損壞。推薦工作范圍是指在該范圍內芯片正常工作，但不完全保證滿足個別性能指標。電氣參數定義了器件在工作范圍內並且在保證特定性能指標的測試條件下的直流和交流電氣參數規范。對於為給定的上下限參數，該規范不予保證其精度，但其典型值合理反映了器件性能。

電氣參數

　　無特殊說明，VDD=5V，Ta=25攝氏度。

符號	參數	測試條件	最小值	典型值	最大值	單位
VDD	充電輸入電壓		4.3	5	5.5	V
VBAT	預設充電電壓	針對4.2V規格	4.15	4.2	4.25	V
		針對4.35V規格	4.30	4.35	4.4	V
△ VRECHRG	再充電閾值電壓	VBAT-VRECHRG		100		mV
VISET	ISET電壓	RISET=1KΩ	0.9	1	1.1	V
IBAT	BAT恆流充電電流	RISET=1KΩ,恆流充電模式	900	1000	1100	mA
ITRK	BAT涓流充電電流	RISET=1KΩ,涓流充電模式		100		mA
VTRK	涓流充電閾值電壓	RISET=1KΩ,VBAT上升		2.9		V
VTRK_HYS	涓流充電滯回電壓	RISET=1KΩ		100		mV
TST	充電溫度補償閾值			110		攝氏度
TZERO	充電零電流溫度			130		攝氏度
VUV_BAT	BAT欠壓所致閾值電壓	VBAT上升		3.1		V
VWN_BAT	BAT低壓報警電壓	VBAT下降		3.0		V
VBAT_END	BAT放電終止電壓			2.85		V
ISD_BAT	BAT待機電流	VBAT=3.7V		15	25	uA
VSD	VDD-VBAT鎖定閾值
VOUT	升壓輸出電壓	ILOAD=1A，VBAT=3.7V	4.8	5	5.2	V
VLIT	LIT低電平電壓	ILIT=100mA		0.6		V
ILEDx	LED1~LED5驅動電流	BAT =4V		4		mA
FLEDx_C	LEDx充電閃爍頻率			1		Hz
FLED1_WN	LED1低電閃爍頻率			3		Hz
RON_CHRG	充電PMOS導通電阻			300		毫歐
RON_NMOS	放電NMOS導通電阻			65		毫歐
RON_PMOS	放電PMOS導通電阻			65		毫歐
FOSC	升壓電路工作頻率		400	500	600	KHz

 

應用說明

恆溫模式

TP4351B內部集成了溫度反饋環路，工作時，如果芯片內部的溫度升高到110攝氏度（表面溫度70攝氏度左右），充電或者放電電流會隨着芯片溫度的升高而降低，從而減小系統功耗，降低溫升，由於溫度反饋控制，IC會進入恆溫模式而不用擔心損壞IC或者過高溫度時強行關閉IC。

充電電流設定

充電店里可以通過設定ISET引腳的電阻來設定，最大可設定充電電流為1A，電流設定關系式如下：

充電模式

如果充電之前鋰離子電池電壓低於2.9V，為了保護電池，TP4351B工作在涓流充電模式，此時充電電流位正常設置電流的1/10，當電池電壓達到2.9V以后，TP4351B進入恆流充電模式，已設定的電流給電池充電；當電池電壓達到4.2V后，TP4351B工作在恆壓充電模式，此時輸出電壓恆定，充電電流逐漸減小，當充電電流降為正常設定電流的1/10時，充電過程結束，充電電流降為零

負載檢測與低功耗智能待機

負載插入時TP4351可以自動檢測到負載並且開啟升壓電路工作。當負載拔掉時，經過16s延時，升壓電路關閉，IC進入低電流待機模式，待機電流減小到25uAyix以下。

放電指示

放電時，LED1~LED4根據電池電壓指示當前電量，當電池電壓低於3.0V是，LED1會一2HZ頻率快上進行低電提示。

手電照明輸出

LIT端可以驅動LED燈用於手電照明，最大驅動電流位100mA，可以給LED串聯電阻來減小指示手電燈的電流，SWT是手電照明使能端，如果長按S1鍵1.5s，手電筒打開，再次長按S1鍵1.5s手電筒關閉。

電池低壓保護

啟東市，當BAT電壓大於3.1V時，升壓電路開始工作，工作過程中如果電池電壓低於3.0V，則LED1會以2Hz頻率快閃提醒電量較低，當電池電壓低於2.85V是，則放電輸出關閉，TP4351 進入低電流待機模式，待機電流小於25uA。

<strong保護功能

TP4351B集成過充保護，過放保護，充電溫度補償，過溫保護，輸出過壓保護，輸出重載保護，輸出短路保護等多重保護機制，也可以額外增加一顆DW01對系統進行雙重保護。

元件選擇

1. 輸出電容C2/C3選擇質量較好的低ESR的貼片電容，否則會影響輸出紋波；
2. 電感L1的飽和電流需大於3A，否則因電感飽和可能導致芯片不工作；
3. 電阻R2建議不要省掉，可以抑制上電尖峰；
4. R5和C4為必須元件，不能省

PCB設計參考

圖2和圖3是PCB layout參考走線

1. R5和C4需要第一優先級靠近芯片；
2. 輸出USB外殼不能接地而需要浮空；
3. IC下面覆銅接GND，AGND，PGND直接打到IC下面的散熱覆銅上，地線鋪開面積要盡可能大，其他不重要的線可以繞開滿足地線需求；
4. 條件允許可以在芯片BAT腳和電感旁放置10uF電容，有成本考慮的話建議電感旁放置10uF電容而靠近芯片BAT引腳放置1uF電容；如果只放一個BAT電容，必須保證電容位置既要靠近芯片又要靠近電感；無論放多少個電容，一定要保證電容的地線盡量接在大面積地線上，不要經過小的地線再到芯片和大面積地；
5. 輸出電容C2A/C2B盡量靠近芯片，器地線盡量接在大面積地線上，不要經過較小的地線再到芯片和大面積地；
6. 電感需要靠近BAT電容C5，電感和電容C5以及芯片盡量在同一層而不要通過過孔，電感到SW的走線盡量短而粗；

應用圖中紅色標記的兩條路徑為大電流路徑，走線短而粗，盡量不要過過孔。

圖2：頂層整體布局

 

 

 圖3：底層整體布局

 

工作狀態與電量指示

LED1~LED4為充放電狀態與電量指示引腳，需串聯LED到GND；不同狀況下的LED如下：

1. 接入VDD時，LED1~LED4會依次全部點亮，然后根據電池低昂量指示充電狀態，達到點亮的LED常亮，當前的LED以1Hz頻率閃爍，充滿電后LED1~LED4全亮；
2. 待機狀態下，單機按鍵S1，顯示電量16s后關閉；
3. 放電是，LED1~~LED4根據電池電壓指示當前電量，且當前電量的LED會以1Hz的頻率慢閃；若電池電壓低於3.05V，LED1會以2Hz頻率快閃提示電量低，知道電池低於2.9V，關閉電路，進入低功耗低壓保護模式，需要重新充電值3.2V以上才可以再次放電；
4. 長按S1 1.5s，手電筒打開，再次按S1鍵1.5s手電筒關閉

LED1~LED4工作狀態表

IC型號	充電					放電
	電池電壓（V）	LED1	LED2	LED3	LED4	電池電壓（V）	LED1	LED2	LED3	LED4
TP4351B	VBAT＜3.6	閃爍	滅	滅	滅	VBAT＜2.85	滅	滅	滅	滅
						2.85≤VBAT＜3.0	快閃	滅	滅	滅
						3.0≤VBAT＜3.5	亮	滅	滅	滅
	3.6≤VBAT＜3.75	亮	閃爍	滅	滅	3.5≤VBAT＜3.65	亮	亮	滅	滅
	3.75≤VBAT＜3.9	亮	亮	閃爍	滅	3.65≤VBAT＜3.8	亮	亮	亮	滅
	3.9≤VBAT＜4.2	亮	亮	亮	閃爍	3.8≤VBAT	亮	亮	亮	亮
	4.2≤ VBAT	亮	亮	亮	亮	-	-	-	-	-

封裝外形尺寸

SOP16L

圖4

 實際電路圖設計如圖5所示，電路設計采用micro usb供電，

 

圖5

 

 

 圖6

 

 圖7：3D預覽圖