单芯片移动电源方案——1A同步升压5V--TP4351B

 

概述

 　　TP4351B是一款专为移动电源设计的同步升压的单芯片解决方案，内部集成了线性充电管理模块、同步放电管理模块、电量监测与LED指示模块、保护模块。内置充电与放电功率MOS管。

充电电流可设置，最大充电电流1A，同步升压支持1A输出电流。

　　TP4351B内部集成了温度补偿、过温保护、过充与过放保护、输出过压保护。输出重载保护、输出短路保护等多重安全保护功能以保证芯片和锂离子电池的安全，应用电路简单，

只需很少的元件便可实现充电管理和放电管理。

特点

• 放电输出5V/1A
• 充电电流最大1A
• 效率：91%（输入3.7V，输出5V/1A）
• BAT放电截止电压：2.9V
• 最大25uA待机电流
• 智能温度控制与过温保护
• 集成输出过压保护、短路保护、重载保护
• 集成过充和过放保护
• 支持涓流模式以及零电压充电
• 支持手电筒功能，最大输出100mA
• 封装形式：sop16

应用

移动电源

典型应用电路

红色路径为大电流路径

图1

管脚

 

 

图2

 

管脚描述

管脚号	管脚名称	描述
1	SW	升压功率NMOSFET的漏极
2	SW	升压功率NMOSFET的漏极
3	PGND	功率地
4	PGND	功率地
5	AGND	模拟地
6	VDD	电源输入端
7	BAT	锂离子电池正极
8	LED4	PMOS漏极输出电量指示端，外接电量指示LED到地
9	LED3	PMOS漏极输出电量指示端，外接电量指示LED到地
10	LED2	PMOS漏极输出电量指示端，外接电量指示LED到地
11	LED1	PMOS漏极输出电量指示端，外接电量指示LED到地
12	LIT	NMOS开漏手电筒照明输出端，可以驱动100mA的LED灯用于手电筒照明
13	OUTN	升压输出负极端
14	OUTP	升压输出正极端以及输出电压采样端
15	SWT	手电筒和电量指示使能端，按键接到地，短按按键显示电量，长按按键1.5s手电筒打开或关闭
16	ISET	充电电流设定端，外接一电阻到GND用于设定充电电流

极限参数

参数	额定值	单位
PGND to AGND电压	-0.3+0.3	V
其他引脚电压	-0.3~+7	V
充电电流	1.2	A
储存环境温度	-50~+150	℃
工作结温范围	-40~+150	℃
HBM	2000	V
MM	200	V

 推荐工作范围

符号	参数	参数范围	单位
VDD	充电输入电压	4.5~5.5	V
Ic	充电电流	小于等于1	A
Top	工作环境温度	-20~+85	℃

 

注1；最大极限值是指超出该工作范围芯片可能会损坏。推荐工作范围是指在该范围内芯片正常工作，但不完全保证满足个别性能指标。电气参数定义了器件在工作范围内并且在保证特定性能指标的测试条件下的直流和交流电气参数规范。对于为给定的上下限参数，该规范不予保证其精度，但其典型值合理反映了器件性能。

电气参数

　　无特殊说明，VDD=5V，Ta=25摄氏度。

符号	参数	测试条件	最小值	典型值	最大值	单位
VDD	充电输入电压		4.3	5	5.5	V
VBAT	预设充电电压	针对4.2V规格	4.15	4.2	4.25	V
		针对4.35V规格	4.30	4.35	4.4	V
△ VRECHRG	再充电阈值电压	VBAT-VRECHRG		100		mV
VISET	ISET电压	RISET=1KΩ	0.9	1	1.1	V
IBAT	BAT恒流充电电流	RISET=1KΩ,恒流充电模式	900	1000	1100	mA
ITRK	BAT涓流充电电流	RISET=1KΩ,涓流充电模式		100		mA
VTRK	涓流充电阈值电压	RISET=1KΩ,VBAT上升		2.9		V
VTRK_HYS	涓流充电滞回电压	RISET=1KΩ		100		mV
TST	充电温度补偿阈值			110		摄氏度
TZERO	充电零电流温度			130		摄氏度
VUV_BAT	BAT欠压所致阈值电压	VBAT上升		3.1		V
VWN_BAT	BAT低压报警电压	VBAT下降		3.0		V
VBAT_END	BAT放电终止电压			2.85		V
ISD_BAT	BAT待机电流	VBAT=3.7V		15	25	uA
VSD	VDD-VBAT锁定阈值
VOUT	升压输出电压	ILOAD=1A，VBAT=3.7V	4.8	5	5.2	V
VLIT	LIT低电平电压	ILIT=100mA		0.6		V
ILEDx	LED1~LED5驱动电流	BAT =4V		4		mA
FLEDx_C	LEDx充电闪烁频率			1		Hz
FLED1_WN	LED1低电闪烁频率			3		Hz
RON_CHRG	充电PMOS导通电阻			300		毫欧
RON_NMOS	放电NMOS导通电阻			65		毫欧
RON_PMOS	放电PMOS导通电阻			65		毫欧
FOSC	升压电路工作频率		400	500	600	KHz

 

应用说明

恒温模式

TP4351B内部集成了温度反馈环路，工作时，如果芯片内部的温度升高到110摄氏度（表面温度70摄氏度左右），充电或者放电电流会随着芯片温度的升高而降低，从而减小系统功耗，降低温升，由于温度反馈控制，IC会进入恒温模式而不用担心损坏IC或者过高温度时强行关闭IC。

充电电流设定

充电店里可以通过设定ISET引脚的电阻来设定，最大可设定充电电流为1A，电流设定关系式如下：

充电模式

如果充电之前锂离子电池电压低于2.9V，为了保护电池，TP4351B工作在涓流充电模式，此时充电电流位正常设置电流的1/10，当电池电压达到2.9V以后，TP4351B进入恒流充电模式，已设定的电流给电池充电；当电池电压达到4.2V后，TP4351B工作在恒压充电模式，此时输出电压恒定，充电电流逐渐减小，当充电电流降为正常设定电流的1/10时，充电过程结束，充电电流降为零

负载检测与低功耗智能待机

负载插入时TP4351可以自动检测到负载并且开启升压电路工作。当负载拔掉时，经过16s延时，升压电路关闭，IC进入低电流待机模式，待机电流减小到25uAyix以下。

放电指示

放电时，LED1~LED4根据电池电压指示当前电量，当电池电压低于3.0V是，LED1会一2HZ频率快上进行低电提示。

手电照明输出

LIT端可以驱动LED灯用于手电照明，最大驱动电流位100mA，可以给LED串联电阻来减小指示手电灯的电流，SWT是手电照明使能端，如果长按S1键1.5s，手电筒打开，再次长按S1键1.5s手电筒关闭。

电池低压保护

启东市，当BAT电压大于3.1V时，升压电路开始工作，工作过程中如果电池电压低于3.0V，则LED1会以2Hz频率快闪提醒电量较低，当电池电压低于2.85V是，则放电输出关闭，TP4351 进入低电流待机模式，待机电流小于25uA。

<strong保护功能

TP4351B集成过充保护，过放保护，充电温度补偿，过温保护，输出过压保护，输出重载保护，输出短路保护等多重保护机制，也可以额外增加一颗DW01对系统进行双重保护。

元件选择

1. 输出电容C2/C3选择质量较好的低ESR的贴片电容，否则会影响输出纹波；
2. 电感L1的饱和电流需大于3A，否则因电感饱和可能导致芯片不工作；
3. 电阻R2建议不要省掉，可以抑制上电尖峰；
4. R5和C4为必须元件，不能省

PCB设计参考

图2和图3是PCB layout参考走线

1. R5和C4需要第一优先级靠近芯片；
2. 输出USB外壳不能接地而需要浮空；
3. IC下面覆铜接GND，AGND，PGND直接打到IC下面的散热覆铜上，地线铺开面积要尽可能大，其他不重要的线可以绕开满足地线需求；
4. 条件允许可以在芯片BAT脚和电感旁放置10uF电容，有成本考虑的话建议电感旁放置10uF电容而靠近芯片BAT引脚放置1uF电容；如果只放一个BAT电容，必须保证电容位置既要靠近芯片又要靠近电感；无论放多少个电容，一定要保证电容的地线尽量接在大面积地线上，不要经过小的地线再到芯片和大面积地；
5. 输出电容C2A/C2B尽量靠近芯片，器地线尽量接在大面积地线上，不要经过较小的地线再到芯片和大面积地；
6. 电感需要靠近BAT电容C5，电感和电容C5以及芯片尽量在同一层而不要通过过孔，电感到SW的走线尽量短而粗；

应用图中红色标记的两条路径为大电流路径，走线短而粗，尽量不要过过孔。

图2：顶层整体布局

 

 

 图3：底层整体布局

 

工作状态与电量指示

LED1~LED4为充放电状态与电量指示引脚，需串联LED到GND；不同状况下的LED如下：

1. 接入VDD时，LED1~LED4会依次全部点亮，然后根据电池低昂量指示充电状态，达到点亮的LED常亮，当前的LED以1Hz频率闪烁，充满电后LED1~LED4全亮；
2. 待机状态下，单机按键S1，显示电量16s后关闭；
3. 放电是，LED1~~LED4根据电池电压指示当前电量，且当前电量的LED会以1Hz的频率慢闪；若电池电压低于3.05V，LED1会以2Hz频率快闪提示电量低，知道电池低于2.9V，关闭电路，进入低功耗低压保护模式，需要重新充电值3.2V以上才可以再次放电；
4. 长按S1 1.5s，手电筒打开，再次按S1键1.5s手电筒关闭

LED1~LED4工作状态表

IC型号	充电					放电
	电池电压（V）	LED1	LED2	LED3	LED4	电池电压（V）	LED1	LED2	LED3	LED4
TP4351B	VBAT＜3.6	闪烁	灭	灭	灭	VBAT＜2.85	灭	灭	灭	灭
						2.85≤VBAT＜3.0	快闪	灭	灭	灭
						3.0≤VBAT＜3.5	亮	灭	灭	灭
	3.6≤VBAT＜3.75	亮	闪烁	灭	灭	3.5≤VBAT＜3.65	亮	亮	灭	灭
	3.75≤VBAT＜3.9	亮	亮	闪烁	灭	3.65≤VBAT＜3.8	亮	亮	亮	灭
	3.9≤VBAT＜4.2	亮	亮	亮	闪烁	3.8≤VBAT	亮	亮	亮	亮
	4.2≤ VBAT	亮	亮	亮	亮	-	-	-	-	-

封装外形尺寸

SOP16L

图4

 实际电路图设计如图5所示，电路设计采用micro usb供电，

 

图5

 

 

 图6

 

 图7：3D预览图