BQ2407x系列：高效的單節(jié)鋰離子線性充電器

引言

在當(dāng)今的電子設(shè)備中，電池充電管理是一個(gè)至關(guān)重要的環(huán)節(jié)。對(duì)于空間受限的便攜式應(yīng)用來(lái)說(shuō)，一款性能出色、功能豐富的充電器芯片能夠顯著提升設(shè)備的性能和用戶體驗(yàn)。TI的BQ2407x系列單節(jié)鋰離子線性充電器就是這樣一款優(yōu)秀的產(chǎn)品，它集成了多種功能，為電子工程師提供了可靠的充電解決方案。

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產(chǎn)品概述

BQ2407x系列包括BQ24072、BQ24073、BQ24074、BQ24075和BQ24079等型號(hào)，適用于多種便攜式設(shè)備，如TWS充電盒、耳機(jī)、游戲配件、視頻門鈴、IP網(wǎng)絡(luò)攝像頭、資產(chǎn)跟蹤設(shè)備、便攜式醫(yī)療設(shè)備等。

主要特性

1. USB兼容性：完全符合USB充電器標(biāo)準(zhǔn)，可選擇100 mA和500 mA的最大輸入電流，確保符合USB - IF標(biāo)準(zhǔn)。同時(shí)，具備輸入動(dòng)態(tài)功率管理（(V_{IN}) - DPM）功能，可防止充電器損壞配置不當(dāng)?shù)腢SB電源。
2. 功能安全能力：部分型號(hào)（如BQ24074）具備功能安全能力，提供相關(guān)文檔以輔助功能安全系統(tǒng)設(shè)計(jì)。
3. 高電壓輸入與過(guò)壓保護(hù)：支持28 V的輸入電壓，并具備過(guò)壓保護(hù)功能，確保設(shè)備在高壓環(huán)境下的安全。
4. 動(dòng)態(tài)功率路徑管理（DPPM）：能夠同時(shí)且獨(dú)立地為系統(tǒng)供電和為電池充電，當(dāng)輸入電流限制導(dǎo)致系統(tǒng)輸出降至DPPM閾值時(shí)，會(huì)自動(dòng)降低充電電流，保證系統(tǒng)負(fù)載的穩(wěn)定供電。
5. 大電流充電：支持高達(dá)1.5 A的充電電流，并具備電流監(jiān)測(cè)輸出（ISET），方便工程師實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)充電電流。
6. 可編程功能：輸入電流限制、終止電流、預(yù)充電和快速充電安全定時(shí)器等均可通過(guò)外部電阻進(jìn)行編程，滿足不同應(yīng)用的需求。
7. 電池?cái)嚅_(kāi)功能：部分型號(hào)（如BQ24075和BQ24079）具備電池?cái)嚅_(kāi)功能，可通過(guò)SYSOFF輸入實(shí)現(xiàn)電池與系統(tǒng)的斷開(kāi)。
8. 保護(hù)功能：具備反向電流、短路和熱保護(hù)功能，以及NTC熱敏電阻輸入，可監(jiān)測(cè)電池溫度，確保充電過(guò)程的安全。
9. 狀態(tài)指示：提供充電/完成、電源良好等狀態(tài)指示，方便用戶了解充電狀態(tài)。
10. 安全認(rèn)證：部分型號(hào)（如BQ24072）獲得了IEC 62368 - 1認(rèn)證。

技術(shù)細(xì)節(jié)

引腳配置與功能

電氣特性

BQ2407x系列芯片的電氣特性涵蓋了多個(gè)方面，包括絕對(duì)最大額定值、ESD額定值、推薦工作條件、熱信息和電氣特性等。以下是一些重要的電氣特性參數(shù)：

• 絕對(duì)最大額定值：輸入電壓范圍為 - 0.3 V至28 V，輸入電流最大為1.6 A，輸出電流連續(xù)為5 A，電池充電電流最大為1.5 A等。
• ESD額定值：人體模型（HBM）為±2000 V，帶電設(shè)備模型（CDM）為±500 V。
• 推薦工作條件：輸入電壓范圍為4.35 V至26 V，輸入電流最大為1.5 A，輸出電流最大為4.5 A，電池充電電流最大為1.5 A等。
• 熱信息：結(jié)到環(huán)境的熱阻為44.5 °C/W，結(jié)到外殼（頂部）的熱阻為54.2 °C/W，結(jié)到電路板的熱阻為17.2 °C/W等。

詳細(xì)功能描述

欠壓鎖定（UVLO）

當(dāng)IN引腳的輸入電壓低于欠壓閾值（UVLO）時(shí)，芯片處于掉電模式，此時(shí)控制輸入（CE、EN1和EN2）的主機(jī)命令被忽略，IN和OUT引腳之間的Q1 FET關(guān)閉，CHG和PGOOD狀態(tài)輸出為高阻態(tài)，連接BAT和OUT的Q2 FET開(kāi)啟（SYSOFF為高時(shí)Q2關(guān)閉），同時(shí)(V_{OUT(SC2)})電路會(huì)監(jiān)測(cè)OUT的過(guò)載情況。

上電

當(dāng)(V{IN})超過(guò)UVLO閾值時(shí)，芯片上電。在(V{IN})低于(V{BAT}+V{IN(DT)})時(shí)，控制輸入的主機(jī)命令仍被忽略，Q1 FET關(guān)閉，CHG和PGOOD為高阻態(tài)，Q2 FET開(kāi)啟（SYSOFF為高時(shí)Q2關(guān)閉），(V{OUT(SC2)})電路監(jiān)測(cè)OUT的過(guò)載情況。當(dāng)(V{IN})上升到(V{BAT}+V{IN(DT)})以上時(shí)，PGOOD拉低表示有效電源狀態(tài)，讀取CE、EN1和EN2輸入。如果((EN1 = EN2 = HI))或出現(xiàn)輸入過(guò)壓情況，芯片進(jìn)入待機(jī)模式，此時(shí)Q1關(guān)閉，Q2開(kāi)啟，OUT連接到電池輸入（SYSOFF為高時(shí)Q2關(guān)閉），(V{OUT(SC2)})電路繼續(xù)監(jiān)測(cè)OUT的過(guò)載情況。當(dāng)輸入電壓在有效范圍內(nèi)且USB暫停模式未啟用時(shí)，激活所有內(nèi)部定時(shí)器和其他電路塊，檢查ISET和ILIM引腳是否短路，若無(wú)短路則以100 mA電流限制開(kāi)啟輸入FET Q1檢查OUT是否短路，當(dāng)(V{OUT})高于(V{O(SC1)})時(shí)，Q1切換到由EN1、EN2和(R{ILIM})設(shè)置的電流限制閾值，芯片進(jìn)入正常工作模式。

過(guò)壓保護(hù)（OVP）

芯片可承受高達(dá)28 V的輸入電壓而不損壞。當(dāng)(V{IN}>V{OVP})且持續(xù)時(shí)間超過(guò)(t_{DGL(OVP)})時(shí)，過(guò)壓保護(hù)（OVP）電路會(huì)關(guān)閉內(nèi)部LDO并停止充電，此時(shí)系統(tǒng)輸出（OUT）連接到電池，PGOOD為高阻態(tài)。當(dāng)OVP條件消除后，將啟動(dòng)新的上電序列，安全定時(shí)器重置，CHG輸出將指示新的充電周期。

動(dòng)態(tài)功率路徑管理

輸入源連接時(shí)

芯片的動(dòng)態(tài)功率路徑管理（DPPM）電路會(huì)持續(xù)監(jiān)測(cè)輸入電流。BQ24073/74/75/79的OUT輸出被調(diào)節(jié)到固定電壓((V{O(REG)}))，BQ24072的OUT輸出被調(diào)節(jié)到比BAT電壓高200 mV，當(dāng)BAT電壓低于3.2 V時(shí)，OUT被鉗位到3.4 V，以確保系統(tǒng)負(fù)載在電池放電時(shí)能正常啟動(dòng)。輸入電流在為電池充電和為系統(tǒng)負(fù)載供電之間分配，芯片具有內(nèi)部可選的100 mA（USB100）和500 mA（USB500）輸入電流限制，以及通過(guò)電阻可編程的輸入電流限制。輸入電流限制由EN1和EN2引腳的狀態(tài)控制，使用電阻可編程電流限制時(shí)，輸入電流限制由連接在ILIM引腳和VSS之間的電阻值決定，計(jì)算公式為(I{IN - MAX}=K{ILIM}/R{ILIM})，輸入電流限制可調(diào)至1.5 A，有效電阻范圍為1.1 kΩ至8 kΩ。當(dāng)IN源連接時(shí)，系統(tǒng)負(fù)載優(yōu)先，采用DPPM和電池補(bǔ)充模式來(lái)維持系統(tǒng)負(fù)載。

• 輸入DPM模式（(V_{IN}) - DPM）：當(dāng)EN1和EN2配置為USB100或USB500模式時(shí)，監(jiān)測(cè)輸入電壓。如果(V{IN})降至(V{IN - DPM})，則降低輸入電流限制，防止輸入電壓進(jìn)一步下降，避免芯片損壞設(shè)計(jì)不良或配置不當(dāng)?shù)腢SB源。
• DPPM模式：當(dāng)充電和系統(tǒng)負(fù)載電流之和超過(guò)最大輸入電流（由EN1、EN2和ILIM引腳編程）時(shí)，OUT引腳電壓下降。當(dāng)OUT引腳電壓降至(V_{DPPM})時(shí)，芯片進(jìn)入DPPM模式，此時(shí)充電電流隨著OUT電流的增加而減小，以維持系統(tǒng)輸出，電池終止在DPPM模式下被禁用。
• 電池補(bǔ)充模式：在DPPM模式下，當(dāng)充電電流降至零且系統(tǒng)負(fù)載電流超過(guò)編程的輸入電流限制時(shí)，OUT電壓進(jìn)一步降低。當(dāng)OUT電壓低于(V{BSUP1})閾值時(shí)，電池為系統(tǒng)負(fù)載補(bǔ)充電流；當(dāng)OUT電壓上升到(V{BSUP2})閾值以上時(shí)，電池停止補(bǔ)充電流。在補(bǔ)充模式下，電池補(bǔ)充電流不受調(diào)節(jié)（BAT - FET完全導(dǎo)通），但有短路保護(hù)電路。如果在電池補(bǔ)充模式下，OUT電壓低于BAT電壓(V{O(SC2)})且過(guò)載持續(xù)(t{DGL(SC2)})后，OUT輸出將關(guān)閉，短路恢復(fù)定時(shí)器開(kāi)始計(jì)數(shù)，經(jīng)過(guò)(t_{REC(SC2)})后，OUT嘗試重新啟動(dòng)，若短路仍然存在，OUT將再次關(guān)閉，計(jì)數(shù)器重新開(kāi)始計(jì)數(shù)，電池終止在補(bǔ)充模式下被禁用。

輸入源未連接時(shí)

當(dāng)IN輸入沒(méi)有連接源時(shí)，OUT完全由電池供電，此時(shí)進(jìn)入類似電池補(bǔ)充模式，但電流不受調(diào)節(jié)，短路電路仍然有效。如果OUT電壓低于BAT電壓250 mV且持續(xù)時(shí)間超過(guò)(t{DGL(SC2)})，OUT將關(guān)閉，短路恢復(fù)定時(shí)器開(kāi)始計(jì)數(shù)，經(jīng)過(guò)(t{REC(SC2)})后，OUT嘗試重新啟動(dòng)，若短路仍然存在，OUT將再次關(guān)閉，如此循環(huán)直到過(guò)載條件消除。

電池充電

將CE置低可啟動(dòng)電池充電。首先，芯片通過(guò)向電池提供(I{BAT(SC)})電流并監(jiān)測(cè)電壓來(lái)檢查BAT引腳是否短路，當(dāng)BAT電壓超過(guò)(V{BAT(SC)})時(shí)，開(kāi)始電池充電。電池充電分為三個(gè)階段：預(yù)充電、恒流快速充電（電流調(diào)節(jié)）和恒壓充電（電壓調(diào)節(jié)）。在所有充電階段，內(nèi)部控制環(huán)路會(huì)監(jiān)測(cè)IC結(jié)溫，若超過(guò)內(nèi)部溫度閾值則降低充電電流。

• 預(yù)充電階段：以預(yù)充電電流（(I{PRECHG})）為電池充電，當(dāng)電池電壓超過(guò)(V{LOWV})閾值后，進(jìn)入快速充電階段。
• 快速充電階段：以快速充電電流（(I{CHG})）為電池充電，快速充電電流由連接在ISET引腳和VSS之間的電阻決定，計(jì)算公式為(I{CHG}=K{ISET}/R{ISET})，充電電流限制可調(diào)至1.5 A，有效電阻范圍為590 Ω至8.9 kΩ。
• 恒壓充電階段：當(dāng)電池電壓達(dá)到(V{BAT(REG)})時(shí)，電池保持在恒定電壓(V{BAT(REG)})，充電電流逐漸減小，當(dāng)電池電流達(dá)到(I{TERM})時(shí)，CHG引腳變?yōu)楦咦钁B(tài)，表示充電完成。需要注意的是，當(dāng)由于熱環(huán)路、DPPM環(huán)路或(V{IN - DPM})環(huán)路的作用導(dǎo)致充電速率降低時(shí)，終止檢測(cè)將被禁用。

可調(diào)終止閾值（ITERM輸入，BQ24074）

BQ24074的終止電流閾值可由用戶編程。通過(guò)連接一個(gè)電阻從ITERM到VSS來(lái)設(shè)置終止電流，在USB100模式（(EN1 = EN2 = Low)）下，終止電流值計(jì)算公式為(I{TERM}=0.01×R{ITERM}/R{ISET})；在其他輸入電流限制模式（(EN1 ≠ EN2)）下，終止電流值計(jì)算公式為(I{TERM}=0.03×R{ITERM}/R{ISET})。終止電流可編程至快速充電電流的50%，(R_{ITERM})電阻必須小于15 kΩ，若不連接ITERM，則選擇默認(rèn)的內(nèi)部設(shè)置終止電流。

終止禁用（TD輸入，BQ24072，BQ24073）

BQ24072和BQ24073包含一個(gè)TD輸入，可用于啟用/禁用充電終止。將TD連接到邏輯高電平可禁用充電終止，此時(shí)設(shè)備將經(jīng)過(guò)預(yù)充電、快速充電和恒壓階段，然后保持在恒壓階段，充電器將輸出電壓保持在BAT等于(V{BAT(REG)})，充電電流不會(huì)終止，充電電流由(I{CHG})或(I{IN max})中較小的值決定，不進(jìn)行電池檢測(cè)。當(dāng)電流低于(I{TERM})時(shí)，CHG輸出變?yōu)楦咦钁B(tài)，直到輸入電源或CE被切換才會(huì)再次變低。當(dāng)終止被禁用時(shí)，預(yù)充電和快速充電安全定時(shí)器也會(huì)被禁用。如果TD引腳為高電平且TS引腳未連接或上拉到(V_{IN})，則電池組溫度感應(yīng)（TS引腳功能）將被禁用。

電池檢測(cè)和再充電

芯片會(huì)自動(dòng)檢測(cè)電池是否連接或移除。充電周期完成后，會(huì)監(jiān)測(cè)電池電壓。當(dāng)電池電壓低于(V{RCH})時(shí)，運(yùn)行電池檢測(cè)程序。在電池檢測(cè)期間，從電池中抽取電流（(I{BAT(DET)})）持續(xù)(t{DET})時(shí)間，觀察BAT電壓是否低于(V{LOWV})，若不低于則開(kāi)始充電，若低于則表示電池缺失或保護(hù)器斷開(kāi)。然后施加預(yù)充電電流(t{DET})時(shí)間，嘗試閉合保護(hù)器。若(V{BAT}{RCH})，則保護(hù)器閉合并開(kāi)始充電；若(V{BAT}>V_{RCH})，則確定電池缺失，繼續(xù)進(jìn)行檢測(cè)程序。

電池?cái)嚅_(kāi)（SYSOFF輸入，BQ24075，BQ24079）

BQ24075和BQ24079具有SYSOFF輸入，可用于關(guān)閉FET Q2，斷開(kāi)電池與OUT引腳的連接。這對(duì)于將系統(tǒng)負(fù)載與電池?cái)嚅_(kāi)、工廠編程（無(wú)電池安裝）或主機(jī)側(cè)阻抗跟蹤電量計(jì)（如bq27500）非常有用，因?yàn)樵陔姵爻潆娀蚍烹娭靶枰獧z測(cè)電池開(kāi)路電壓。當(dāng)SYSOFF為高電平時(shí)，/CHG輸出保持低電平。將SYSOFF連接到VSS可開(kāi)啟Q2以進(jìn)行正常操作，SYSOFF通過(guò)約5 MΩ電阻內(nèi)部上拉到(V_{BAT})。

動(dòng)態(tài)充電定時(shí)器（TMR輸入）

芯片包含用于預(yù)充電和快速充電階段的內(nèi)部安全定時(shí)器，以防止電池和系統(tǒng)受到潛在損壞。定時(shí)器在相應(yīng)的充電周期開(kāi)始時(shí)啟動(dòng)，定時(shí)器值通過(guò)連接一個(gè)電阻從TMR到