三节串联锂电池充电管理芯片：充电电路与保护电路为串联关系

林百万666

三节锂电池充电与保护方案选型指南

说到三节串联锂电池，也就是大家常说的3S电池组，它的标称电压是11.1V，满电可以到12.6V，正常工作范围大概在9V到12.6V之间。这种电池方案现在用得挺广的，像蓝牙音箱、便携式电动工具、无人机、矿灯、手持终端、移动电源这些需要较高工作电压的便携设备，基本都能看到它的身影。

既然电池是3串的，充电管理就得多留个心眼。三节锂电池的充电管理遵循的是标准的CC-CV三段式流程，也就是先恒流再恒压。充满目标电压是12.6V，相当于每节4.2V。整个过程大致分三步走：一开始如果电池电压比较低，芯片会先以较小的电流做个预充，大概只有设定电流的十分之一，目的是保护深度放电的电池；等电压上来之后，就进入恒流快充阶段，用最大设定电流快速补电；最后电压接近12.6V时，自动切到恒压模式，电流慢慢降下来，直到降到终止电流，充电就完成了。

目前平芯微针对三节锂电池充电需求，推出了覆盖升压、降压、升降压三种拓扑的完整产品线。具体怎么选，主要看你的输入电源类型和充电电流需求。下面这张表可以给你一个大概的方向：

PW4053A-N属于升压型，输入电压范围3.7V到6V，专门应对USB 5V输入的场景，充电电流0.6A到0.7A，效率大约88%，封装是SOP8-EP，适合中小电流、成本敏感的应用。

PW4053A也是升压型，跟PW4053A-N很像，但充电电流可以拉到0.6A到1A，同样是SOP8-EP封装，USB 5V输入，适合对充电速度有一定要求但又不想上复杂方案的场景。

PW4000走的是升降压路线，输入范围很宽，4.2V到20V都能吃，充电电流1A到1.6A，采用QFN15封装。这颗芯片的特点是支持USB快充PD/QC，搭配PW6606协议芯片可以实现5V到12V的快充电压诱骗，充电功率最高能到20W左右，适合对充电效率有较高要求的场景。

PW4243是降压型，输入电压15V到30V，最大耐压33V，充电电流约2A，封装SOP10。它专为24V工业电源或车载电源场景设计，如果你的输入是12V或24V适配器，这颗芯片就挺对味的。

PW7126是三节锂电池专用的充放电保护芯片，采用SOT23-6封装，集成过充电、过放电、过电流和短路保护，支持0V电池充电功能，外围只需要少量阻容和功率MOSFET就能搭起来。

先聊聊PW4053A-N这颗芯片。它是一颗异步升压型充电管理IC，USB 5V输入，输出给三节锂电池充电到12.6V，充电电流0.5A到1A左右。芯片内置了功率MOSFET，外围只需要一个肖特基二极管SS54和少量阻容就能搭出完整的充电方案。输入耐压做到了28V，具备过压保护功能，当输入超过6V时会自动关断，防止快充头误输出高压把芯片打坏。充电电流通过RICHG电阻设定，LED状态指示支持单灯或双灯方案，用起来比较灵活。

PW4053A可以理解为PW4053A-N的大电流版本。同样是USB 5V输入、升压到12.6V的方案，但充电电流可以拉到0.6A到1A。封装还是SOP8-EP，外围电路跟PW4053A-N几乎一样，区别主要在于电流设定电阻的取值不同。如果你的产品对充电时间有一定要求，但又不需要上到快充级别，PW4053A是个比较均衡的选择。

PCB设计这块，PW4053A/-N有几个关键点要注意。先把重要电容放置靠近IC引脚，CF1靠近1/2引脚，C3和C4内置升压输出电容要靠近4引脚，COUT和CF2电容要靠近5脚充电端。CIN电容一般稍微靠近电感放置，同时注意传输高电流，USB到电感的PCB面积和线宽不能太小。功率地的PCB面积要尽量宽，包括USB地、CIN地、C3/C4地、IC底部焊盘地和电池端地，铺铜要宽。过孔方面，CIN、C3、COUT至少需要2个过孔起。LX与电感L1和D1连接处节点富含高频噪声，是EMI的主要来源，离IC不能太远，尽量避免过孔。

PW4000这颗芯片跟前两颗完全不同，它走的是升降压路线。输入范围4.2V到20V，意味着无论是普通的5V USB充电器，还是9V、12V的快充头，甚至是15V、20V的PD充电器，它都能适配。充电电压可调，最高支持到12.6V，充电电流1A到1.6A。封装是QFN15，体积小巧，适合空间紧凑的设计。值得一提的是，PW4000搭配PW6606协议芯片后，可以从PD/QC充电器诱骗出9V或12V输入，以更高的功率给三节锂电池充电，最大充电电流能到1.6A左右，整体效率约93%。

PCB设计方面，PW4000有几个地方需要特别注意。BAT GND和VIN GND要通过RCS电流检测电阻连接，两者不能直接短接，否则电流检测会失效。RISET2和RISET1电阻要采用差分走线并靠近RCS放置。输出电容COUT要靠近BAT引脚，输入电容CIN和CF1要靠近VIN引脚，接地端尽量靠近PGND。

PW4243面向的是另一类场景。如果你的输入电源是12V或24V适配器，那用升压或升降压芯片就有点绕了，直接用降压方案更合理。PW4243的输入范围15V到30V，最大耐压33V，充电电压12.6V，充电电流约2A。封装是SOP10，比前面几颗稍微大一点，但胜在输入电压范围宽、耐压高。需要注意的是，当输入电压高于20V时，建议增加缓冲电阻来吸收上电和掉电瞬间的浪涌电压，保护芯片不被击穿。

说完充电芯片，再聊聊保护。三节锂电池组必须配独立的保护电路，这是常识。PW7126就是专门为三节可充电锂电池设计的CMOS保护芯片，SOT23-6小封装，集成了高精度过充电保护、过放电保护、过电流充放电保护和短路保护，还支持0V电池充电功能。外围只需要少量阻容和两颗功率MOSFET，就能把保护板搭起来。

保护板的工作原理其实不复杂。过充电保护检测每节电芯的电压，当任何一节超过过充电检测电压时，保护芯片会关断充电MOSFET，阻止继续充电；过放电保护则是当电芯电压低于过放电检测电压时，关断放电MOSFET，防止电池过放损坏；过电流保护分充电过流和放电过流两档，当回路电流超过设定阈值时，芯片会在很短的时间内切断MOSFET；短路保护响应更快，一旦检测到输出端短路，立即关断放电回路。此外，PW7126还支持电池均衡功能，不过需要搭配PW2213均衡芯片来实现，可以消除串联电芯之间的电压不一致问题。

在实际产品中，充电管理电路和电池保护电路是协同工作的关系。充电管理芯片负责把外部电源转换成合适的电压和电流给电池充电，保护芯片负责实时监控电池状态，在异常情况下切断回路。两者配合，才能构成完整可靠的三节锂电池充放电管理系统。

选型方面，给你几个参考方向：如果输入是USB 5V，充电电流需求在0.7A以下，优先考虑PW4053A-N，外围简洁成本低；如果USB 5V输入但希望充电电流到1A左右，选PW4053A；如果要做USB快充，输入电压范围5V到20V，选PW4000搭配PW6606；如果输入是12V或24V适配器，直接上PW4243降压方案；保护部分一律推荐PW7126，小封装、功能全、外围简单。

应用领域方面，这套方案可以用在便携式蓝牙音箱、电动工具、无人机、矿灯、手持PDA、移动电源、GPS定位器、便携式医疗仪器以及各种DIY电子项目里。基本上只要是三节锂电池供电的便携设备，都能从这几颗芯片里找到合适的搭配。