BQ25606：高效單節(jié)電池充電器的設(shè)計與應(yīng)用

在電子設(shè)備日新月異的今天，電池充電管理成為了至關(guān)重要的一環(huán)。德州儀器（TI）的BQ25606作為一款高度集成的單節(jié)鋰離子和鋰聚合物電池開關(guān)模式充電器，為眾多便攜式設(shè)備提供了高效、可靠的充電解決方案。今天，我們就來深入了解一下這款產(chǎn)品。

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產(chǎn)品特性亮點

高效充電與寬輸入支持

BQ25606具備1.5 MHz的同步開關(guān)模式降壓充電器，在5 V輸入、2 A充電電流下，充電效率高達92%，并針對USB電壓輸入（5 V）進行了優(yōu)化。它支持3.9 - 13.5 V的輸入電壓范圍，絕對最大輸入電壓額定值為22 V，能適應(yīng)多種輸入源，包括標(biāo)準(zhǔn)USB主機端口、USB充電端口和符合USB標(biāo)準(zhǔn)的高壓適配器。

USB OTG功能

該芯片支持USB On-The-Go（OTG）功能，其升壓轉(zhuǎn)換器輸出電流最高可達1.2 A，在1 A輸出時升壓效率為92%，能為其他便攜式設(shè)備提供電力。

精準(zhǔn)電流控制與安全保護

它擁有準(zhǔn)確的恒流（CC）限制，軟啟動功能可適應(yīng)高達500 μF的電容負載，還具備輸出短路保護功能。同時，它支持最大電源跟蹤，輸入電壓限制最高可達4.6 V（VINDPM），且VINDPM閾值會自動跟蹤電池電壓。

低功耗與高集成度

電池放電MOSFET的導(dǎo)通電阻僅為19.5 mΩ，可實現(xiàn)高電池放電效率。芯片的電池漏電電流低至58 μA，且高度集成了所有MOSFET、電流感應(yīng)和環(huán)路補償，減少了外部元件數(shù)量。

高精度電壓與電流調(diào)節(jié)

充電電壓調(diào)節(jié)精度為±0.5%，在1.2 A和1.8 A充電電流調(diào)節(jié)時精度為±6%，在0.5 A、1.2 A和1.8 A輸入電流調(diào)節(jié)時精度為±5%，確保了充電過程的穩(wěn)定性和安全性。

應(yīng)用領(lǐng)域廣泛

BQ25606適用于多種設(shè)備，如電子銷售點終端（EPOS）、便攜式揚聲器、手機配件和醫(yī)療設(shè)備等。這些設(shè)備通常對電池充電效率、體積和安全性有較高要求，而BQ25606正好能滿足這些需求。

詳細功能解析

電源啟動機制

• 無輸入源時從電池啟動：當(dāng)只有電池且電壓高于耗盡閾值（VBAT_DPL_RISE）時，BATFET導(dǎo)通，將電池連接到系統(tǒng)，REGN關(guān)閉以降低靜態(tài)電流，減少傳導(dǎo)損耗，延長電池續(xù)航時間。同時，芯片會監(jiān)控放電電流，當(dāng)系統(tǒng)過載或短路時，會立即關(guān)閉BATFET，直到輸入源重新連接。
• 從輸入源啟動：插入輸入源后，芯片會檢查輸入源電壓，開啟REGN LDO和所有偏置電路，檢測并設(shè)置輸入電流限制，然后啟動降壓轉(zhuǎn)換器。具體步驟包括：啟動REGN LDO、進行不良源資格驗證、通過D+/D–檢測輸入源類型以設(shè)置輸入電流限制、設(shè)置輸入電壓限制閾值（VINDPM閾值），最后啟動轉(zhuǎn)換器。

升壓模式操作

BQ25606支持升壓轉(zhuǎn)換器操作，可將電池的電力通過USB端口傳輸?shù)狡渌銛y式設(shè)備，最大輸出電流可達1.2 A。當(dāng)滿足一定條件時，升壓模式即可啟用，如電池電壓高于VOTG_BAT、VBUS小于BAT + VSLEEP（睡眠模式）、OTG引腳為高電平、TS引腳電壓在可接受范圍內(nèi)等。在升壓模式下，VBUS輸出為5.15 V，輸出電流可達1.2 A。

電源路徑管理

• 窄VDC架構(gòu)：當(dāng)電池電壓低于最小系統(tǒng)電壓設(shè)置時，BATFET工作在線性模式（LDO模式），系統(tǒng)電壓通常比最小系統(tǒng)電壓設(shè)置高180 mV。當(dāng)電池電壓高于最小系統(tǒng)電壓時，BATFET完全導(dǎo)通，系統(tǒng)與電池之間的電壓差為BATFET的VDS。
• 動態(tài)電源管理：為了滿足USB規(guī)范中的最大電流限制并避免適配器過載，芯片具備動態(tài)電源管理（DPM）功能，會持續(xù)監(jiān)控輸入電流和輸入電壓。當(dāng)輸入源過載時，會降低充電電流，若充電電流降至零仍過載，系統(tǒng)電壓會下降，此時芯片會自動進入補充模式，BATFET導(dǎo)通，電池開始放電，為系統(tǒng)提供支持。
• 補充模式：當(dāng)系統(tǒng)電壓低于電池電壓時，BATFET導(dǎo)通，其柵極會被調(diào)節(jié)，使低電流時BATFET的VDS保持在30 mV，防止進入和退出補充模式時產(chǎn)生振蕩。隨著放電電流增加，BATFET柵極電壓升高以降低RDSON，直到BATFET完全導(dǎo)通。當(dāng)電池電壓低于耗盡閾值時，BATFET關(guān)閉，退出補充模式。

電池充電管理

• 自主充電周期：當(dāng)電池充電使能（CE引腳為低電平）時，芯片會自動完成一個充電周期。默認充電參數(shù)包括充電電壓由VSET控制、充電電流由ICHG控制、預(yù)充電電流為ICHG的5%、終止電流為ICHG的5%、溫度曲線遵循JEITA標(biāo)準(zhǔn)、安全定時器為10小時。當(dāng)滿足特定條件時，新的充電周期會啟動；當(dāng)充電電流低于終止閾值、電池電壓高于再充電閾值且芯片不在DPM模式或熱調(diào)節(jié)狀態(tài)時，充電周期自動終止。STAT輸出可指示充電狀態(tài)。
• 充電終止：當(dāng)電池電壓高于再充電閾值且電流低于終止電流時，充電周期終止，BATFET關(guān)閉，轉(zhuǎn)換器繼續(xù)為系統(tǒng)供電，必要時BATFET可再次導(dǎo)通進入補充模式。
• 熱敏電阻資格驗證：芯片提供單個熱敏電阻輸入，用于監(jiān)測電池溫度。在充電模式下，為了符合JEITA指南，TS引腳電壓必須在VT1至VT5閾值范圍內(nèi)，否則充電將暫停，直到電池溫度恢復(fù)正常。在不同溫度區(qū)間，充電電流和電壓會相應(yīng)調(diào)整。
• 升壓模式熱敏電阻監(jiān)控：在升壓模式下，芯片會監(jiān)控電池溫度，確保其在V BCOLD 至V BHOT 閾值范圍內(nèi)，若超出范圍，升壓模式將暫停。
• 充電安全定時器：芯片內(nèi)置安全定時器，防止因電池異常導(dǎo)致充電周期過長。當(dāng)電池電壓低于V BATLOW 閾值時，安全定時器為2小時；高于該閾值時為10小時。在輸入電壓、電流、JEITA低溫或熱調(diào)節(jié)期間，安全定時器以實際充電電流的一半速率計數(shù)。出現(xiàn)故障時，定時器暫停，故障消除后恢復(fù)，用戶停止當(dāng)前充電周期并重新啟動時，定時器會重置。

狀態(tài)輸出與保護功能

• 狀態(tài)輸出：PG引腳為低電平時表示輸入源良好，需滿足VBUS高于VVBUS_UVLO、高于電池電壓（非睡眠狀態(tài)）、低于VACOV閾值、在施加IBADSRC電流時高于VPOOSRC等條件。STAT引腳可指示充電狀態(tài)，充電進行中為低電平，充電完成或禁用為高電平，充電暫停（如輸入過壓、TS故障、安全定時器故障或系統(tǒng)過壓）時以1 Hz閃爍。
• 保護功能：芯片具備多種保護功能，包括輸入電流限制、電壓和電流監(jiān)測（在降壓和升壓模式下）、熱調(diào)節(jié)和熱關(guān)斷、電池過壓保護、電池過放電保護和系統(tǒng)過流保護等，確保充電過程的安全可靠。

設(shè)計與布局要點

設(shè)計要求

在典型應(yīng)用中，需要考慮VBUS電壓范圍（4 - 13.5 V）、輸入電流限制（通過D+/D–檢測）、快速充電電流限制（ICHG引腳）、最小系統(tǒng)電壓（3.5 V）和電池調(diào)節(jié)電壓（VSET引腳）等參數(shù)。

元件選擇

• 電感選擇：1.5 MHz的開關(guān)頻率允許使用較小的電感和電容值。電感飽和電流應(yīng)高于充電電流（ICHG）加上一半的紋波電流（IRIPPLE），電感紋波電流通常設(shè)計在最大充電電流的20% - 40%之間，以平衡電感尺寸和效率。
• 輸入電容：輸入電容應(yīng)提供足夠的紋波電流額定值，以吸收輸入開關(guān)紋波電流。建議使用低ESR陶瓷電容，如X7R或X5R，并將其盡可能靠近高側(cè)MOSFET的漏極和低側(cè)MOSFET的源極放置，電容電壓額定值應(yīng)高于正常輸入電壓水平。
• 輸出電容：輸出電容應(yīng)具備足夠的紋波電流額定值，以吸收輸出開關(guān)紋波電流?？赏ㄟ^增加輸出濾波器LC來降低電壓紋波，芯片內(nèi)部環(huán)路補償針對≤20 μF的陶瓷輸出電容進行了優(yōu)化，建議使用10 V額定值的X7R或X5R陶瓷電容。

布局指南

為了減少開關(guān)損耗，應(yīng)盡量縮短開關(guān)節(jié)點的上升和下降時間。合理布局元件，最小化高頻電流路徑環(huán)路，防止電場和磁場輻射以及高頻諧振問題。具體布局步驟包括：將輸入電容盡可能靠近PMID引腳和GND引腳連接；將電感輸入引腳與SW引腳緊密連接，減少該走線的銅面積，避免使用多層并聯(lián)；將輸出電容放置在電感和芯片附近，接地連接應(yīng)通過短銅走線或GND平面連接到IC接地；將模擬地和電源地分開布線，通過散熱墊或0 Ω電阻連接；使用單一接地連接將充電器電源地和充電器模擬地連接；在IC引腳旁邊放置去耦電容，走線連接應(yīng)盡可能短；確保器件封裝背面的暴露散熱墊焊接到PCB接地，并保證有足夠的熱過孔連接到其他層的接地平面；確保過孔的數(shù)量和尺寸能滿足給定電流路徑的需求。

總結(jié)

BQ25606以其高效的充電性能、豐富的功能和完善的保護機制，為單節(jié)鋰離子和鋰聚合物電池的充電管理提供了優(yōu)秀的解決方案。在實際設(shè)計中，我們需要根據(jù)具體應(yīng)用需求，合理選擇元件和布局，以充分發(fā)揮其性能優(yōu)勢。你在使用類似充電器芯片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。