Микросхема CS5090E. Тех. описание, схема, datasheet.

Общие сведения о микросхеме CS5090E.

Микросхема CS5090E – специализированный контроллер заряда двухячеечной литий-ионной батареи, предназначенный для работы с USB-адаптерами питания на 5V от портативной электроники (смартфонов, планшетов и т.п.).

Контроллер заряда CS5090E имеет аналог CS5080E и модификацию CS5090EA, основной функционал которых совпадает.

Данный контроллер применяется в устройствах, которые содержать аккумуляторную батарею, состоящую из двух литий-ионных аккумуляторов, включенных последовательно (2S1P).

Также возможна работа с литиевыми батареями, ячейки в которых соединены по схеме 2S2P.

На вход питания контроллера подаётся напряжение 5V от любого сетевого адаптера питания с USB-выходом, например, от смартфона или планшета.

Частью микросхемы является асинхронный повышающий DC-DC преобразователь (Boost switch), который работает на частоте 500 кГц. Он повышает поступающее на его вход напряжение 5V до уровня 8,4V, необходимое для заряда двух литиевых аккумуляторов. Максимальный ток заряда составляет 1,5А.

Контроллер поддерживает автоматическую настройку зарядного тока, что позволяет ему согласованно работать с адаптерами, рассчитанными на разный выходной ток не подвергая их перегрузке.

Микросхема CS5090E применяется в таких устройствах, как портативные Bluetooth-колонки, электронные сигареты, портативные рации, POS-терминалы, внешние аккумуляторы (power bank), игрушки.

Основные сведения о микросхеме CS5090E представлены в следующем порядке:

• Цоколёвка и назначение выводов;

• Основные характеристики микросхемы CS5090E;

• Функциональная блок-схема;

• Типовая принципиальная схема включения;

• Список BOM (Bill of Materials);

• Установка зарядного тока;

• Контроль температуры батареи;

• Отличие CS5090EA от CS5090E;

• Совместимость микросхемы CS5090E и CS5080E.

Описание функционала микросхемы и её защит:

• Процесс зарядки;

• Функции защиты;

• Светодиодная индикация режима работы;

• Адаптивная функция ограничения входного тока.

Исходные файлы технической документации:

• Datasheets: CS5090E(A), CS5080E.

Цоколёвка и назначение выводов микросхемы.

Микросхема контроллера заряда выполнена в корпусе ESOP8L для поверхностного SMT-монтажа.

Таблица №1. Обозначение выводов микросхемы CS5090E и их функциональное назначение.

Основные характеристики микросхемы CS5090E.

Таблица №2. Основные электрические параметры микросхемы CS5090E.

Функциональная блок-схема.

Функциональная блок-схема микросхемы CS5090E.

Типовая схема включения микросхемы.

Типовая принципиальная схема включения микросхемы CS5090E.

Примечание к схеме.

В качестве SMD-дросселя L1 рекомендуется использовать силовую катушку индуктивности (smd power inductor) серии CD54 номинальной индуктивностью 2,2μH (мкГн) и током насыщения 3,5А. (SWPA5040S2R2NT, CD54-2R2M и подобные).

В исходных даташитах (CS5090E, CS5080E) на принципиальных схемах в качестве диода D1 иногда указан диод Шоттки SS34 вместо SS54. На реальной плате, например, от портативной аудиосистемы SVEN PS-650 установлен SS54.

Список BOM (Bill of Materials).

Далее представлена таблица №3 с перечнем компонентов, необходимых для сборки зарядного устройства на базе микросхемы CS5090E. Сокращённый BOM (Bill of Materials).

Таблица №3. Список необходимых компонентов.

Установка зарядного тока.

При необходимости величину зарядного тока I_CC можно настроить по 6 выводу ICHG. Для этого необходимо подключить постоянный резистор R_ICHG между этим выводом и общим проводом схемы (AGND).

Сопротивление резистора R_ICHG рассчитывается по следующей формуле:

R_ICHG = 10000/I_CC, где:

R_ICHG – сопротивление SMD-резистора в омах (Ω),

I_CC – зарядный ток (A).

Таким образом, для установки максимального тока в 1,5А необходим резистор R_ICHG сопротивлением 6800 Ом (6,8 кОм). Для зарядного тока в 1А потребуется установка резистора номиналом в 10 кОм.

Контроль температуры батареи.

Микросхема CS5090E поддерживает контроль температуры батареи через 7 вывод NTC. К нему подключается внешний терморезистор, который устанавливается на корпусе литиевой батареи или рядом с ней.

Контроллер прекращает заряд батареи, если её температура становится низкой (-10°C), а также если она нагреется до +60°C.

Температура определяется по оценочному напряжению, которое формируется при протекании тока через NTC-термистор и резистор R3. Слишком низкой температуре в -10°C соответствует напряжение 1,44V, а слишком высокой температуре +60°C соответствует напряжение в 0,38V.

Вариант подключения терморезистора показан далее.

В качестве R_NTC применён терморезистор с отрицательным коэффициентом сопротивления (NTC-термистор) сопротивлением 100 кОм и коэффициентом температурной чувствительности B = 4000. Резистор R3 – постоянный резистор сопротивлением 82 килоома.

Если в контроле температуры нет необходимости, то функцию можно отключить. Для этого на 7 вывод NTC необходимо подать напряжение более 1,84V с помощью резистивного делителя.

Отличие CS5090EA от CS5090E.

Существует две модификации микросхемы CS5090 c буквами E и EA в конце маркировки. Казалось бы, разницы особой нет. Но...

На следующем фото показана микросхема CS5090EA, которая распаяна на плате от портативной Bluetooth-колонки SVEN PS-650.

Опираясь на даташит от CS5090E была проведена сверка с тем, что распаяно на печатной плате. Нашлись расхождения.

Судя по всему, печатная плата изначально разводилась под микросхему CS5080E, которая совместима с микросхемой CS5090E. Резистор R66 (4,7 Ом) по входу питания VIN решили оставить. Делитель на резисторах R67 и R46 убрали вовсе, так как они нужны только для CS5080E (контроль входного напряжения по выв. VSEN). Индуктивность дросселя L8 – 4,7μH (мкГн), хотя в даташитах рекомендуют ставить на 2,2μH (мкГн), но на типовых схемах встречается и 4,7.

Вывод 7 (NTC) никуда не подключен. Далее мы узнаем, с чем это связано.

Основное внимание привлёк резистор R45, с помощью которого задаётся зарядный ток по выводу ICHG. Его номинал оказался очень мал, всего 1,2 килоома.

Оказалось, что микросхема CS5090EA имеет следующие особенности:

• Сопротивление резистора R_ICHG, рассчитывается по следующей формуле R_ICHG = 1000/I_CC. Таким образом, чтобы установить ток заряда 1A для CS5090E, потребуется резистор R_ICHG с номинальным сопротивлением 10кОм, а для CS5090EA всего 1кОм.

• Вывод NTC является мультиплексированным. Он может быть использован, как для контроля температуры батареи, так и для включения/отключения микросхемы.

  Если вывод NTC никуда не подключен (на нём напряжение менее 0,2V), то это разрешает штатную работу микросхемы. Но, если подключить 7 вывод к общему проводу (GND) – чип отключает зарядку. Удобно, если требуется управление от внешнего микроконтроллера или какого-либо управляющего узла.

  Если же необходим контроль температуры батареи, то для этого к 7 выводу NTC подключаются соответствующие элементы обвязки.

• CS5090EA оснащена функцией адаптивной регулировки температуры. При нагреве микросхемы до 120°C (T_REG) зарядный ток будет уменьшен, что приведёт к понижению температуры чипа. Так микросхема будет продолжать заряд и не будет подвергаться перегреву. Микросхема CS5090E также имеет функцию защиты от перегрева, но, работает она более жёстко, полностью отключая заряд при нагреве чипа до 140°C.

• Порог входного напряжения, при котором происходит адаптация зарядного тока для CS5090E составляет 4,5 В, а для CS5090EA – 4,2 В.

Принципиальная схема зарядного устройства на микросхеме CS5090EA с цепью подключения нагрузки показана далее.

Примечание к схеме.

• В качестве SMD-дросселя L1 рекомендуется использовать силовую катушку индуктивности (smd power inductor) серии SWPA5040S номинальной индуктивностью 2,2μH (мкГн) и током насыщения 5А. (SWPA5040S2R2NT и подобные);

• В случае, если аккумулятор съёмный или к его клеммам в качестве нагрузки (LOAD) подключены индуктивные элементы (например, электродвигатель), то рекомендуется установить рядом с конденсатором C4 ещё один конденсатор ёмкостью не менее 100 мкФ. Это необходимо для обеспечения надёжной работы схемы;

• Если контроль температуры батареи не требуется, то 7 вывод NTC можно оставить неподключенным;

• SMD-конденсаторы необходимо располагать на печатной плате как можно ближе к выводам микросхемы;

• Цепь R5C9 позволяет снизить уровень излучаемых электромагнитных помех (ЭМП, EMI).

Совместимость микросхемы CS5090E и CS5080E.

Микросхемы CS5090E и CS5080E являются аналогами и при определённых корректировках в обвязке взаимозаменяемы. Основное отличие CS5080E от CS5090E состоит в том, что в ней отсутствует узел, отвечающий за контроль температуры батареи.

Вместо вывода NTC имеется вывод VSEN, по которому осуществляется контроль уровня входного напряжения. Также различается рабочая частота DC-DC преобразователя (600 кГц против 500) и формула расчёта сопротивления резистора R_ICHG для настройки зарядного тока I_CC по выводу ICHG.

Корпус и цоколёвка (pinout) микросхем совпадает полностью.

Далее приведена принципиальная схема зарядного устройства на микросхеме CS5080E.

Описание функционала микросхемы и защит.

Процесс зарядки.

Процесс заряда любого литиевого аккумулятора состоит из двух этапов и ведётся по методу CC/CV (постоянный ток/постоянное напряжение).

Алгоритм процесса зарядки составной литий-ионной батареи хорошо визуализирует график Battery Charge V/I Profile.

Профиль V/I заряда батареи (микросхема CS5090E).

Когда батарея сильно разряжена и её напряжение составляет менее 2V (V_SHORT), контроллер заряжает её током 1/20 I_CC (~50...75 миллиампер).

Если напряжение на батарее становится более 2V и меньше 5,6V, контроллер заряжает батарею током 1/10 I_CC (~100...150 миллиампер).

Если напряжение на батарее возрастает до уровня более 5,6V, контроллер переходит в режим зарядки постоянным током (CC). При этом зарядный ток резко возрастает и достигает максимальной величины I_CC (1...1,5 ампера). Максимальный зарядный ток I_CC устанавливается резистором R_ICHG.

Когда в процессе заряда напряжение на батарее достигнет уровня 8,36...8,44V (V_CV), контроллер перейдёт в режим поддержания постоянного напряжения (CV). При этом зарядный ток резко падает. Если он снижается до уровня менее 100 мА, то процесс заряда считается завершённым, зарядка прекращается.

Если батарея разрядится и напряжение на её клеммах снизится на 200 милливольт (ΔV_RCH) до уровня 8,2V, контроллер вновь начнёт процесс заряда.

Функции защиты.

Микросхема имеет узлы защиты от короткого замыкания и перенапряжения на выходе, пониженного и повышенного входного напряжения, чрезмерного нагрева.

Защита от пониженного напряжения на входе.

Если напряжение на входе V_IN падает до уровня 3,6V (V_UVLO), то срабатывает защита от пониженного входного напряжения.

Защита от повышенного напряжения на входе.

Несмотря на то, что микросхема выдерживает входное напряжение от 3,5 до 18V, в случае, если напряжение на входе повысится до 6V (V_OVP), сработает защита от повышенного входного напряжения.

Защита от короткого замыкания и пониженного напряжения на выходе.

В случае, если напряжение на литиевой батарее ниже V_SHORT (2V), срабатывает защита от пониженного напряжения на выходе. Для контроллера такая ситуация сравни короткому замыканию (КЗ), так как внутреннее сопротивление батареи мало. В таком случае силовой ключ (встроенный MOSFET-транзистор) контроллера переключается в линейный режим. При этом ток заряда батареи минимален и составляет 1/20 I_CC (~50...75 миллиампер).

Как только напряжение на батарее достигнет уровня 2V, включиться режим заряда и ток возрастёт до уровня 1/10 I_CC (~100...150 миллиампер).

Защита от повышенного напряжения на выходе.

Контроллер защищает литиевую батарею от повышенного напряжения на ней. Если напряжение на выводе BAT достигнет порога в 9,06V (V_OVPB), то сработает защита от перенапряжения батареи.

Температурная защита.

Микросхема CS5090E имеет встроенную защиту от чрезмерного нагрева. Порог срабатывания защиты 140°С (T_SD). При срабатывании защиты работа микросхемы блокируется. Как только кристалл микросхемы остынет на 30°C (ΔT), микросхема вновь заработает.

Стоит отметить, что модификация микросхемы CS5090EA имеет адаптивную температурную защиту. При нагреве до 120°C (T_REG), срабатывает адаптивный блок защиты и зарядный ток уменьшается, что приводит к снижению температуры микросхемы.

Таким образом, микросхема не отключается полностью, а лишь уменьшает ток заряда, чтобы снизить тепловую нагрузку на полупроводниковые элементы интегральной схемы. "Жёсткое" отключение наступает лишь при температуре 150°C (T_SD), когда адаптивная регулировка не справляется. Интервал сброса температурной защиты для CS5090EA составляет 30°C (ΔT).

Светодиодная индикация режима работы.

Светодиод, подключенный к выводу STAT (8), сигнализирует о процессе зарядки, а также о срабатывании защит.

При штатной зарядке светодиод всегда включен и светится постоянно. Когда зарядка завершена, он выключается.

В случае нештатных ситуаций, светодиод мигает с частотой 1,6 Гц. К ним относятся:

• Завышенное напряжение на входе VIN (более 6V);

• Пониженное или повышенное напряжение на выходе;

• Повышенная температура литиевой батареи (контролируется по 7 выводу NTC);

• Короткое замыкание на выходе;

• Перегрев микросхемы.

Адаптивная функция ограничения входного тока.

Пятивольтовые USB-адаптеры питания для портативных устройств имеют разную мощность, а, следовательно, рассчитаны на разный ток нагрузки (обычно 0,5...2А). Контроллер заряда микросхемы CS5090E имеет адаптивную функцию ограничения входного тока, что позволяет ему согласованно работать с любыми USB-адаптерами.

Микросхема имеет специальный контур, автоматически регулирующий величину зарядного тока, чтобы предотвратить перегрузку USB-адаптера питания.

Алгоритм работы функции ограничения входного тока следующий. Вследствие большого зарядного тока, напряжение на выходе USB-адаптера начнёт падать. При достижении зафиксированного порога (4,5V для CS5090E и 4,2V для CS5090EA) встроенный адаптивный контур автоматически отрегулирует величину зарядного тока до такого уровня, чтобы снизить нагрузку на источник питания.

Техническое описание: CS5090E, CS5090EA, CS5080E.

• Даташит CS5090E (.pdf);

• Даташит CS5090EA (.pdf);

• Даташит CS5080E (.pdf).

Внимание! Информация носит справочный характер. В представленном материале и исходных даташитах могут быть ошибки. При работе с данной микросхемой учитывайте риск порчи, вызванный ремонтом или модификацией изделий на её основе.

Главная » Мастерская » Текущая страница

Также Вам будет интересно узнать:

• Как работает плата защиты литиевой батареи?

• Схема контроллера литий-ионного аккумулятора.

• Зарядная док-станция для робота-пылесоса Mi Robot Vacuum Mop. Что внутри?