BQ2404x系列單節(jié)鋰離子和鋰聚合物電池充電器深度解析

在如今的電子設(shè)備領(lǐng)域，便攜式設(shè)備對(duì)電池充電器的要求越來越高，不僅要小巧高效，還要具備完善的安全保護(hù)功能。TI的BQ2404x系列單節(jié)鋰離子和鋰聚合物電池充電器就是這樣一款出色的產(chǎn)品。下面，我們就來詳細(xì)了解一下這款充電器。

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一、產(chǎn)品概述

BQ2404x系列包括BQ24040、BQ24041和BQ24045三款產(chǎn)品，是高度集成的充電器，專為空間受限的便攜式應(yīng)用而設(shè)計(jì)。它可以通過USB端口或交流適配器供電，具有高輸入電壓范圍和輸入過壓保護(hù)，能支持低成本的非穩(wěn)壓適配器。該系列充電器有一個(gè)單一的電源輸出，可用于給電池充電，也能為系統(tǒng)負(fù)載供電，只要系統(tǒng)平均負(fù)載不會(huì)影響電池在10小時(shí)安全定時(shí)器內(nèi)充滿電即可。

二、產(chǎn)品特性

充電特性

• 高精度：具備1%的充電電壓精度和±10%的充電電流精度，確保電池充電的準(zhǔn)確性。
• 靈活的輸入電流限制：通過引腳可選擇USB 100 mA和500 mA的最大輸入電流限制，滿足不同應(yīng)用場(chǎng)景的需求。
• 可編程設(shè)置：BQ24040和BQ24045支持可編程的終止和預(yù)充電閾值，還能支持4.35 V的高電壓化學(xué)體系。

保護(hù)特性

• 高耐壓設(shè)計(jì)：輸入額定電壓達(dá)30V，具備6.6 V或7.1 V的輸入過壓保護(hù)，有效防止過壓損壞。
• 動(dòng)態(tài)功率管理：輸入電壓動(dòng)態(tài)功率管理功能，可應(yīng)對(duì)輸入電源的波動(dòng)。
• 溫度保護(hù)：125°C熱調(diào)節(jié)和150°C熱關(guān)斷保護(hù)，保障充電器在高溫環(huán)境下的安全運(yùn)行。
• 短路保護(hù)：具備OUT短路保護(hù)和ISET短路檢測(cè)功能，增強(qiáng)了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。
• JEITA標(biāo)準(zhǔn)支持：通過電池NTC可在JEITA范圍內(nèi)工作，在低溫時(shí)以半快充電流充電，高溫時(shí)將充電電壓限制在4.06V（BQ24040和BQ24045）。
• 安全定時(shí)器：BQ24040和BQ24045配備固定的10小時(shí)安全定時(shí)器，防止過充。

系統(tǒng)特性

• 自動(dòng)終止和定時(shí)器禁用模式：對(duì)于帶有熱敏電阻的電池組缺失情況，BQ24040和BQ24045具有自動(dòng)終止和定時(shí)器禁用模式（TTDM）。
• 狀態(tài)指示：通過CHG和PG引腳可指示充電和完成狀態(tài)，方便用戶監(jiān)控充電過程。
• 小封裝設(shè)計(jì)：采用2×2 (mm^{2}) 的DFN - 10封裝，節(jié)省空間，適合小型設(shè)備應(yīng)用。
• 自動(dòng)啟動(dòng)功能：BQ24041集成了自動(dòng)啟動(dòng)功能，便于生產(chǎn)線測(cè)試。
• 功能安全能力：BQ24040具備功能安全能力，還提供相關(guān)文檔以輔助功能安全系統(tǒng)設(shè)計(jì)，并獲得了IEC 62368 - 1 CB認(rèn)證（BQ24040、BQ24045）。

三、應(yīng)用領(lǐng)域

BQ2404x系列適用于多種便攜式設(shè)備，如TWS耳機(jī)、智能手表和手環(huán)、無線揚(yáng)聲器、移動(dòng)POS機(jī)以及便攜式醫(yī)療設(shè)備等。這些設(shè)備通常對(duì)體積和充電效率有較高要求，BQ2404x正好能滿足這些需求。

四、詳細(xì)描述

充電階段

BQ2404x的充電過程分為三個(gè)階段：預(yù)處理、恒流充電和恒壓充電。在所有充電階段，內(nèi)部控制回路會(huì)監(jiān)控IC結(jié)溫，若超過內(nèi)部溫度閾值，會(huì)降低充電電流。

功能模式

• 電源關(guān)閉或欠壓鎖定（UVLO）：當(dāng)IN端子電壓低于UVLO時(shí)，充電器進(jìn)入電源關(guān)閉模式，所有端子呈高阻抗?fàn)顟B(tài)。當(dāng)IN電壓高于UVLO閾值時(shí)，根據(jù)OUT端子（電池）電壓進(jìn)入睡眠模式或活動(dòng)模式。
• 上電：IN電壓高于UVLO后，IC復(fù)位所有邏輯和定時(shí)器，開始進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測(cè)程序，設(shè)置輸入電流限制閾值，啟動(dòng)安全定時(shí)器并使能CHG端子。
• 睡眠模式：當(dāng)IN端子電壓介于 (V{OUT }+V{DT }) 和UVLO之間時(shí)，充電電流禁用，安全定時(shí)器停止計(jì)數(shù)，PG和CHG端子呈高阻抗?fàn)顟B(tài)。輸入電壓升高退出睡眠模式后，PG端子變低，安全定時(shí)器繼續(xù)計(jì)數(shù)，充電恢復(fù)。
• 新充電周期：在以下情況會(huì)啟動(dòng)新的充電周期：施加有效電源、使用TS引腳或BAT_EN使芯片啟用/禁用、退出終止/定時(shí)器禁用模式（TTDM）、檢測(cè)到電池插入、OUT電壓低于VRCH閾值。
• 過壓保護(hù)（OVP）：當(dāng)輸入源出現(xiàn)過壓時(shí)，經(jīng)過消隱時(shí)間 (t_{BLK(OVP)}) 后，通斷FET關(guān)閉，定時(shí)器停止，CHG和 (overline{PG}) 端子呈高阻抗?fàn)顟B(tài)。過壓恢復(fù)正常后，PG端子變低，定時(shí)器繼續(xù)，充電繼續(xù)，CHG端子在25ms消隱后變低。
• 電源良好指示（PG）：施加5V電源后，輸入電壓高于UVLO和睡眠閾值且低于OVP時(shí)，PG FET導(dǎo)通，提供低阻抗接地路徑。
• CHG端子指示：CHG端子內(nèi)部的開漏FET在第一次充電時(shí)導(dǎo)通（拉低至 (V_{SS}) ），電池達(dá)到電壓調(diào)節(jié)且充電電流降至終止閾值時(shí)關(guān)閉。BQ24041雖不終止充電，但當(dāng)電池電流達(dá)到編程充電電流的10%時(shí)，CHG端子也會(huì)關(guān)閉。

引腳功能

不同型號(hào)的BQ2404x引腳功能略有差異，下面是主要引腳的功能介紹：

• IN：輸入電源，連接外部直流電源（交流適配器或USB端口），需連接1μF至10μF的旁路電容到VSS。
• OUT：電池連接端，可連接系統(tǒng)負(fù)載，也需連接1μF至10μF的旁路電容。
• PRE - TERM（BQ24040和BQ24045）：用于編程電流終止閾值（為ISET設(shè)置的Iout的5% - 50%），并將預(yù)充電電流設(shè)置為終止電流的兩倍。
• ISET：用于編程快充電流設(shè)置，通過外部電阻連接到VSS來定義快充電流值。
• ISET2：3態(tài)輸入，用于編程USB或適配器源的輸入/輸出電流限制。
• TS（BQ24040和BQ24045）：溫度感測(cè)端子，連接到電池組中的10k NTC熱敏電阻，用于實(shí)現(xiàn)JEITA溫度標(biāo)準(zhǔn)。
• BAT_EN（BQ24041）：充電使能輸入（低電平有效）。
• CHG：低電平（FET導(dǎo)通）表示正在充電，開漏（FET截止）表示未充電或充電完成。
• PG：低電平（FET導(dǎo)通）表示輸入電壓高于UVLO且高于OUT（電池）電壓。

五、應(yīng)用與實(shí)現(xiàn)

典型應(yīng)用電路

以BQ24040和BQ24045為例，典型應(yīng)用電路的設(shè)計(jì)要求包括：電源電壓為5V，快充電流 (I_{OUT - FC }=540 mA) ，終止電流閾值為快充電流的10%（約54mA），預(yù)充電電流默認(rèn)是終止電流的兩倍（約108mA），TS采用10k NTC熱敏電阻進(jìn)行電池溫度感測(cè)。

詳細(xì)設(shè)計(jì)步驟

• 編程快充電流：根據(jù)公式 (R{ISET }=left[K{(ISET)} / I_{(OUT) }right]) 計(jì)算ISET電阻值，選擇合適的標(biāo)準(zhǔn)電阻。
• 編程終止電流閾值：可通過 (PRE - TERM =K{(TERM) } × % IOUT - FC) 或 (PRE - TERM =K{(PRE - CHG)} × % IOUT - FC) 計(jì)算PRE - TERM電阻值，選擇合適的標(biāo)準(zhǔn)電阻。
• TS功能：使用10k NTC熱敏電阻在電池組中，若不需要溫度感測(cè)功能，可在TS和VSS之間連接固定的10k電阻。
• CHG和PG指示：通過串聯(lián)電阻和LED連接到OUT端子，可實(shí)現(xiàn)LED狀態(tài)指示；通過連接上拉電阻到處理器電源軌，可實(shí)現(xiàn)處理器監(jiān)控。
• 選擇輸入和輸出端子電容：通常在電源端子、輸入和輸出端子使用高頻去耦電容（陶瓷電容），根據(jù)實(shí)際系統(tǒng)運(yùn)行條件評(píng)估后可調(diào)整電容值。

六、電源供應(yīng)建議

BQ2404x系列設(shè)計(jì)工作在3.5 V至28 V的輸入電壓范圍內(nèi)，輸入電源應(yīng)具有至少最大設(shè)計(jì)充電電流的能力，并且要保證良好的穩(wěn)壓性能。如果電源距離BQ24040x的IN和GND端子較遠(yuǎn)，建議使用更大的電容。

七、布局設(shè)計(jì)

布局指南

• 去耦電容和輸出濾波電容應(yīng)盡量靠近BQ2404x，減少IN、OUT和GND（散熱墊）的走線長(zhǎng)度。
• 低電流GND連接應(yīng)與電池的高電流充電或放電路徑分開，采用單點(diǎn)接地技術(shù)。
• IN和OUT端子的高電流充電路徑應(yīng)根據(jù)最大充電電流合理設(shè)計(jì)尺寸，避免走線電壓降。
• 散熱墊應(yīng)連接到PCB接地，使用多個(gè)10mil過孔將熱量傳導(dǎo)到底部接地平面，底部接地平面應(yīng)避免切斷熱路徑。

熱考慮

BQ2404x采用熱增強(qiáng)型MLP封裝，散熱墊可有效實(shí)現(xiàn)IC與PCB的熱接觸。熱阻抗 (R_{theta J A}) 受多種因素影響，如是否板載安裝、走線尺寸和幾何形狀、設(shè)備方向、環(huán)境空氣體積和氣流等。由于鋰離子和鋰聚合物電池的充電特性，最大功耗通常出現(xiàn)在充電周期開始時(shí)，此時(shí)電池電壓最低。設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)避免在典型工作條件下進(jìn)入熱調(diào)節(jié)模式，熱調(diào)節(jié)功能可用于應(yīng)對(duì)高溫環(huán)境或高于正常輸入電源電壓的情況。

八、總結(jié)

BQ2404x系列單節(jié)鋰離子和鋰聚合物電池充電器憑借其高精度充電、完善的保護(hù)功能、靈活的可編程設(shè)置以及小巧的封裝設(shè)計(jì)，在便攜式設(shè)備領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。電子工程師在設(shè)計(jì)時(shí)，需根據(jù)具體應(yīng)用需求合理選擇型號(hào)，按照布局指南進(jìn)行PCB設(shè)計(jì)，并注意電源供應(yīng)和熱管理等方面的問題，以充分發(fā)揮該系列充電器的性能優(yōu)勢(shì)。大家在實(shí)際應(yīng)用中遇到過哪些問題呢？歡迎在評(píng)論區(qū)分享交流。