深入解析bq2510x系列單節(jié)鋰離子電池充電器

在當今的電子設備中，電池充電器的性能和可靠性至關重要。TI的bq2510x系列單節(jié)鋰離子電池充電器以其高集成度、靈活的充電控制和全面的保護功能，成為了空間受限便攜式應用的理想選擇。今天，我們就來深入了解一下這個系列的充電器。

文件下載：bq25100h.pdf

一、產(chǎn)品概述

bq2510x系列包括bq25100、bq25101、bq25100A、bq25100H、bq25101H和bq25100L等型號，它們是高度集成的鋰離子和鋰聚合物線性充電器，專為空間受限的便攜式應用而設計。該系列充電器具有以下顯著特點：

1. 高精度充電：具備1%的充電電壓精度和±10%的充電電流精度，支持10 mA至250 mA的低充電電流，最小充電終止電流可達1 mA。
2. 超低泄漏電流：電池輸出泄漏電流最大僅75 nA，有效減少電池自放電。
3. 高電壓化學支持：不同型號支持不同的充電電壓，如bq25100H/01H支持4.35 V，bq25100A支持4.30 V。
4. 全面保護功能：擁有30-V輸入額定值、6.5-V輸入過壓保護、輸入電壓動態(tài)功率管理、125°C熱調節(jié)、150°C熱關斷保護、輸出短路保護和ISET短路檢測等功能。
5. 靈活的充電控制：可通過外部電阻編程快速充電電流、預充電電流和終止電流閾值。

二、應用領域

bq2510x系列充電器適用于多種便攜式設備，如健身配件、智能手表、藍牙頭戴式耳機和低功耗手持設備等。這些設備通常對空間和功耗有較高要求，而bq2510x的小尺寸封裝和低功耗特性正好滿足了這些需求。

三、充電原理

bq2510x充電器采用三階段充電方式，即預充電、恒流充電和恒壓充電。

1. 預充電階段：當電池電壓低于VLOWV閾值（通常為2.5 V）時，充電器進入預充電階段，以較低的電流對電池進行預conditioning，使電池恢復到可正常充電的狀態(tài)。預充電電流可通過PRE - TERM引腳編程，通常為快速充電電流的10% - 100%。
2. 恒流充電階段：當電池電壓達到VLOWV閾值后，充電器進入恒流充電階段，以設定的快速充電電流對電池進行充電?？焖俪潆婋娏骺赏ㄟ^ISET引腳的外部電阻進行編程，范圍為10 mA至250 mA。
3. 恒壓充電階段：當電池電壓達到調節(jié)電壓時，充電器進入恒壓充電階段，保持電池電壓恒定，直到充電電流逐漸減小到終止電流閾值，充電結束。

四、關鍵特性詳解

1. 過壓保護（OVP）

充電器持續(xù)監(jiān)測輸入電壓，當輸入源施加過壓時，經(jīng)過消隱時間tBLK(OVP)后，通過FET關閉，定時器停止計數(shù)。當電壓恢復正常后，定時器和充電繼續(xù)。

2. CHG引腳指示

對于bq25101和bq25101H型號，CHG引腳具有內部開漏FET。在首次充電時（獨立于TTDM模式），F(xiàn)ET導通（拉低至VSS），當電池達到電壓調節(jié)且充電電流減小到PRE - TERM電阻設定的終止閾值時，F(xiàn)ET關閉。

3. IN - DPM功能

IN - DPM功能用于檢測輸入源電壓下降（由于負載過大導致電壓折疊）的情況。當輸入電壓降至VIN - DPM閾值時，內部通過FET開始減小電流，以防止輸入電壓進一步下降，保護輸入源免受過大負載的影響。該功能不適用于bq25100A。

4. ISET引腳

ISET引腳通過外部電阻編程輸出電流（10 - 250 mA），并可作為電流監(jiān)測。計算公式為RISET = KISET ÷ IOUT，其中KISET為增益因子。ISET電阻具有短路保護功能，當檢測到電阻低于約420 Ω時，IC將鎖存關閉，可通過循環(huán)電源或循環(huán)TS引腳進行復位。

5. PRE - TERM引腳

PRE - TERM引腳用于編程預充電電流和終止電流閾值。預充電電流是終止電流的兩倍，終止電流可設置為ISET設定的輸出電流的5% - 50%。當引腳浮空時，終止和預充電電流分別內部設置為10%和20%。

6. TS引腳

TS引腳用于溫度監(jiān)測，遵循JEITA溫度標準。不同型號在不同溫度范圍內有不同的充電策略，如在0°C - 10°C時，充電電流減半；在45°C - 60°C時，調節(jié)電壓降低。TS引腳還可通過拉高或拉低來控制充電器進入TTDM模式或禁用充電。

7. 定時器

預充電定時器設定為30分鐘，快速充電定時器固定為10小時。在熱調節(jié)或INDPM模式下，定時器時鐘減慢一半。當定時器超時，充電終止。

8. 終止功能

當OUT引腳電壓超過VRCH且電流減小到終止閾值時，進行電池檢測。如果電池存在，充電電流終止；如果電池移除，根據(jù)TS引腳狀態(tài)進入相應模式。

五、應用設計示例

1. 設計要求

• 電源電壓：5 V
• 快速充電電流：40 mA
• 終止電流閾值：快速充電電流的10%（約4 mA）
• 預充電電流：終止電流的兩倍（約8 mA）
• 電池溫度傳感器：10 - k NTC（103AT）
• /CE為開漏控制引腳

2. 詳細設計步驟

• 編程快速充電電流：根據(jù)公式RISET = K(ISET) / I(OUT)，從電氣特性表中可知K(SET) = 135 AΩ，計算得到RISET = [135 AΩ / 0.04 A] = 3.4 kΩ，選擇最接近的標準值3.4 - kΩ電阻連接在ISET和Vss之間。
• 編程終止電流閾值：根據(jù)公式RPRE - TERM = K(TERM) × %IOUT - FC，K(TERM) = 600 Ω / %，%IOUT - FC = 10%，計算得到RPRE - TERM = 600 Ω / % × 10% = 6 kΩ，選擇6 - kΩ電阻連接在PRE - TERM和Vss之間。
• TS功能：在電池組中使用10 - k NTC熱敏電阻（103AT）。若要禁用溫度傳感功能，可在TS和VSS之間連接一個固定的10 - kΩ電阻。
• 選擇IN和OUT引腳電容：在大多數(shù)應用中，只需在電源引腳、輸入和輸出引腳使用高頻去耦電容（陶瓷電容）。根據(jù)實際系統(tǒng)運行條件評估電壓信號后，可調整電容值。

六、布局和熱管理

1. 布局指南

為獲得最佳性能，IN到GND的去耦電容和OUT到GND的輸出濾波電容應盡可能靠近bq2510x放置，且到IN、OUT和GND的走線應盡量短。所有低電流GND連接應與電池的高電流充電或放電路徑分開，采用單點接地技術。

2. 熱管理

熱阻（θJA）是衡量封裝熱性能的常用指標，計算公式為θJA = (TJ - T) / P，其中TJ為芯片結溫，T為環(huán)境溫度，P為器件功耗。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，電池電壓最低。熱循環(huán)功能可降低充電電流以限制IC結溫，建議在典型工作條件下避免進入熱調節(jié)模式。

七、總結

bq2510x系列單節(jié)鋰離子電池充電器以其高精度、低功耗、全面保護和靈活控制等優(yōu)點，為便攜式設備的電池充電提供了可靠的解決方案。在設計應用時，我們需要根據(jù)具體需求合理選擇型號和參數(shù)，并注意布局和熱管理，以確保充電器的性能和可靠性。你在使用bq2510x系列充電器時遇到過哪些問題呢？歡迎在評論區(qū)分享你的經(jīng)驗和見解。