ISL9209B 充电系统安全电路

ISL9209B是一种集成电路（IC），优化为为锂离子电池提供冗余安全保护充电系统故障。集成电路监视输入电压、蓄电池电压和充电电流。三个参数中的任何一个超过了它的极限，IC关闭一种内部P沟道MOSFET，用于消除充电系统。除上述保护外参数，集成电路还监视自己的内部温度和关闭P沟道MOSFET时温度超过+140°C。连同电池充电器IC和电池组中的保护模块使用ISL9209B的充电系统具有三个级别保护和是两个容错的。集成电路的设计目的是缓慢地打开内部PFET通电时避免浪涌电流，但会关闭PFET当输入过电压时，快速移除在任何伤害发生之前通电。ISL9209B有一个逻辑显示故障的警告输出和允许系统断开输入电源。

特征

三保护全集成保护电路变量

高精度保护阈值

用户可编程过电流保护阈值

输入过电压保护小于1μs

瞬态下的高抗误触发能力

显示故障发生的警告输出

启用输入

易于使用

热增强TDFN组件

提供无铅加退火（符合RoHS）

应用

手机

数码相机

掌上电脑和智能手机

便携式仪器

台式充电器

相关文献

技术简介TB363“处理和加工湿敏表面贴装器件（SMDs）“

技术简介TB379“热特性封装半导体器件

技术简介TB389“PCB土地图案设计和QFN封装表面安装指南”

绝对最大额定值（参考GND）热信息

电源电压（车辆识别号）。-0.3至30V

输出和VB引脚（输出，VB）（注1）。-0.3至7.0伏

其他销（ILIM，WRN，EN）。-0.3至5.5V

静电放电额定值

人体模型（根据MIL-STD-883方法3015.7）。3500伏

机器型号（根据EIAJ ED-4701方法C-111）。350伏

推荐操作条件

环境温度范围。-40°C至+85°C

电源电压，车辆识别号。4.3伏至5.5伏

工作电流范围。0A至1.5A

热阻（典型，注2、3）θJA（℃/W）θJC（℃/W）

4x3 TDFN包装。41 3.5条

最高结温（塑料包装）。+150摄氏度

最高储存温度范围。-65°C至+150°C

最高铅温（焊接10s）。+300摄氏度

注意：超过“绝对最大额定值”中列出的应力可能会对设备造成永久性损坏。这是一个压力等级和操作

在本规范操作章节中所述的上述条件或任何其他条件下的装置并不隐含。

+最大结温150°C用于短时间，以防止缩短寿命。接近+150°C结的操作可能会触发

该装置甚至在+150°C之前，因为该编号被指定为典型值。

笔记：

1.VB引脚在连续工作条件下的最大额定电压为5.5V。所有其他引脚允许在绝对最大额定值。

2.θJA是在自由空气中测量的，该部件安装在具有“直接连接”特性的高效热导率测试板上。见技术简报TB379。

3.θJC，“外壳温度”位置在包装底部外露金属垫的中心。见技术简报TB379。

电气规格典型值在车辆识别号=5V和+25°C的环境温度下进行测试，最大值和最小值为

除非另有说明，否则保证在推荐的操作条件下。

电气规格典型值在车辆识别号=5V和+25°C的环境温度下进行测试，最大值和最小值为

除非另有说明，否则保证在推荐的操作条件下。（续）

管脚说明

车辆识别号（针脚1、2）输入电源。车辆识别号可以承受30伏的输入电压。

接地（引脚3）

系统接地参考。

警告（针脚4）

WRN是一个开漏逻辑输出，当任何发生保护事件。

NC（引脚5、6、12）

没有连接，必须保持浮动。

EN（针脚7）

启用输入。将此销拉低或保持浮动以启用IC并将其强制到高位，这将禁用IC。

VB（插脚8）

蓄电池电压监测输入。此引脚连接到通过隔离电阻的电池组正极端子。

ILIM（针脚9）

过电流保护阈值设置引脚。连接

此引脚与接地之间的电阻，用于设置OCP阈值。

输出（针脚10、11）

输出引脚。环境保护局TDFN包装底部的外露衬垫提高热性能。必须是电的接地引脚。

操作理论

ISL9209B是一种集成电路（IC），优化为为锂离子电池提供冗余安全保护充电系统故障。IC监控输入电压，电池电压和充电电流。当超过三个参数，IC关闭内部P沟道MOSFET从充电系统。除上述保护外参数，集成电路还监视自己的内部温度和关闭P沟道MOSFET时温度超过+140°C。连同电池充电器IC和电池组中的保护模块充电系统具有三级保护对锂离子电池进行过充电，具有两个容错功能。这个ISL9209B可保护高达30V的输入电压。上电ISL9209B的通电复位（POR）阈值为2.6V，内置滞后125mV。在输入之前电压达到POR阈值，内部功率PFET关闭。输入电压超过POR阈值，IC复位并开始软启动。10ms的延迟允许在输入端出现任何瞬变在电源热插入以稳定时在集成电路开始工作之前。软启动慢慢开启降低励磁涌流的功率PFET转换过程中的输入电压降。上电行为如图2所示。

输入过电压保护（OVP）输入电压由框图（图1）。CP1准确地参考了带隙基准电压为1.2V。设置了OVP阈值由R1和R2组成的电阻分压器。这个当输入电压超过阈值，CP1输出逻辑信号转向在1微秒内关闭电源PFET（见图3），以防止高输入电压，因为损坏了手持系统。输入OVP的滞后阈值在第2页的“电气规范”中给出。当输入过电压条件消除时ISL9209B通过软启动重新启用输出，如图5所示。因为10毫秒软启动前的延迟，如果输入快速上升到OVP阈值以上，如中所示图6。

蓄电池过电压保护

用VB引脚实现电池电压OVP。这个比较器CP3，如图1所示，监视VB引脚当电池电压超过4.34V（标称）电池过电压阈值。这个阈值具有30mV内置滞后。比较器CP3具有内置的180微秒消隐时间，以防止任何瞬态触发OVP的电压。如果OVP的情况仍然存在在消隐时间后存在，电源PFET关闭。控制逻辑包含一个4位二进制计数器，如果电池过电压事件发生16次，功率PFET永久关闭，如图7所示。回收输入电源或切换启用（EN）输入将重置计数器并重新启动ISL9209B。VB引脚和电池RVB之间的电阻（as如第1页“典型应用电路”所示重要组成部分。这个电阻提供了一个电流限制如果VB引脚在故障情况下对输入电压短路模式。正常运行时VB引脚泄漏电流为可忽略不计，允许使用200kΩ至1MΩ的电阻。过电流保护（OCP）功率PFET中的电流被限制以防止充电电流过大的电池。电流被感应到使用功率场效应管上的电压降打开。OCP的引用是使用感应FET Q2，如图1所示。中的电流感应场效应晶体管被强制到ILIM编程的值别针。功率场效应管Q1的尺寸是其尺寸的31250倍感应场效应管。因此，当电流在功率FET是感应FET中电流的31250倍，漏极功率场效应管的电压低于传感场效应管的电压。比较器CP2然后输出信号以关闭功率场效应晶体管。OCP阈值可使用公式1计算：

其中0.8V是ILIM引脚处的调节电压。这个OCP比较器CP2具有内置的170微秒延迟以防止瞬变信号误触发。OCP功能也有一个4位二进制计数器，在OCP期间累积事件。当总计数达到16时，功率PFET为永久关闭，除非输入电源被回收或启用管脚已切换。图8和图9说明了当输出为对地短路。内部过热保护ISL9209B监控自身内部温度防止热故障。当内部温度达到+140°C时，IC关闭P通道电源MOSFET。IC直到内部温度降至+90°C以下。外部启用控制ISL9209B提供启用（EN）输入。当EN pin被拉到逻辑高，保护IC关闭。这个内部控制电路和功率PFET都已接通关了。电池OVP和当IC重新启用时，OCP被重置为零。大头针有一个内部200kΩ下拉电阻器。离开EN pin浮动或将其驱动至0.4V以下可使集成电路工作。

警告指示输出

WRN引脚是一个开路漏极输出，指示低三种保护事件发生时发出信号。这个允许微处理器向用户指示进一步提高充电系统的安全性。

应用程序信息

ISL9209B的设计符合“锂安全”标准与ISL6292系列锂离子电池一起运行时电池充电器。“锂安全”标准要求充电器输出在绿色区域内，如所示图23在正常操作条件下且不坠落当充电出现单一故障时系统。考虑到锂离子电池的安全电路电池组，充电系统允许有两个不给蓄电池造成危险条件的故障手机。任何ISL6292系列充电器的输出，例如ISL6292C有一条典型的I-V曲线，上面有蓝色的线正常运行时，在绿色区域内。ISL9209B的功能是添加冗余保护层，以便在任何单一故障条件下，充电系统输出不超过I-V限制用红线表示。因此，充电系统采用ISL9209B和ISL6292C芯片组可以轻松通过“锂安全”标准测试程序。ISL9209B是一个简单的设备，只需要三个除ISL6292充电器外的外部部件电路，以满足“锂安全”标准，如“典型应用电路”，第1页。选择电流限制电阻器RILIM在“过电流”中给出保护（OCP）”，第8页。RVB选择RVB防止从VB引脚到电池端子，以防ISL9209B出现故障。这个建议值应在200kΩ至1MΩ之间。当电阻为200kΩ时，从充电器输出的VB引脚为：假设在故障模式下VB引脚电压为30V电池电压为4.2V，这样的小电流容易被其他元件的偏压电流吸收手持系统。增加RVB值会降低最坏情况下的电流，但同时增加了误差对于4.34V电池过电压阈值。电池OVP阈值的错误是原始的VB引脚的精度（在“电气规范”中给出第2页）加上通过VB引脚在RVB上建立的电压泄漏电流。VB引脚泄漏电流小于20nA，见第2页“电气规范”。与200kΩ电阻，最坏附加误差4mV对于1兆欧电阻，最坏的附加误差是20毫伏。

与MCU接口ISL9209B具有启用（EN）和警告（WRN）可连接到微控制器单元的数字信号（单片机）。如果不使用，两个信号都可以保持浮动。与MCU接口时，强烈建议插入ISL9209B信号引脚和MCU之间的电阻器GPIO引脚，如图24所示。电阻产生隔离以限制电流，以防出现高压在故障模式下的ISL9209B引脚上。这个建议的电阻范围为10kΩ至100kΩ。这个REN的选择取决于MCU。应选择REN，以使ISL9209B EN当GPIO单片机输出高。

电容器选择

输入电容器（C1在“典型应用电路”中第1页）用于分离。较高的值会降低电压瞬变过程中的跌落或过冲。有两种情况会导致输入电压过冲。这个第一种是当交流适配器带电（热）插入时第二个是当ISL9209B的电源PFET有一个降压更改。图25显示了ISL9209B的等效电路输入。AC/DC转换器输出和手持系统输入有一个寄生电感。这个寄生电阻是各种元件的总和，例如电缆、适配器输出电容器ESR、接头接触电阻等。

在负载电流降压瞬态期间

存储在寄生电感中用于对输入充电去耦电容器，C2。ISL9209B设计用于转向在OCP期间缓慢关闭电源PFET，电池过热事件，以及通过EN-pin禁用设备时。因为这样的设计，在事件并不重要。但是，在输入OVP期间PFET在小于1微秒的时间内转动，可导致过度射击。更高的电容减少了这种类型的过电压开枪。

热插拔引起的过冲不是很严重取决于去耦电容值，特别是当陶瓷型电容器用于去耦时。在理论上，过冲可以上升到直流输出的两倍交流适配器的电压。实际峰值电压为取决于主要确定的阻尼系数通过寄生电阻（图25中的R）。实际上，建议使用输入去耦电容器使用16V X5R介质陶瓷电容器在0.1至1微F之间。ISL9209B的输出和充电的输入电路通常共用一个去耦电容器。这个电容器的选择主要取决于充电电路的要求。使用ISL6292时系列充电器，1μF，6.3V，X5R电容器推荐。

布局建议

ISL9209B使用热增强DFN包。包装下的外露衬垫应连接到地平面既有电的也有热的。网格1.0毫米至1.2毫米间距热通孔，两排，4至5个建议每行通孔（请参阅ISL9200EVA1评估板布局）。通孔应为0.3毫米至直径0.33mm。在组件上使用一些铜如果可能的话，分层以进一步提高热性能但这不是强制性的。由于ISL9209B是一个保护设备，因此布局应该还要注意轨道之间的间距。当两条轨道边缘之间的距离小于0.76mm，FMEA（失效机理及影响分析）应确保两个轨道不会导致充电器输出超过“锂安全”区域限制。Intersil将进行FMEA使用ISL9209B和ISL6292C芯片组，但布局FMEA应添加为部分分析。