BQ25616/616J：高效單節(jié)電池充電器的技術(shù)解析與應(yīng)用

在電子設(shè)備飛速發(fā)展的今天，電池充電管理技術(shù)顯得尤為重要。BQ25616/616J作為一款高度集成的3A開關(guān)模式電池充電管理和系統(tǒng)電源路徑管理設(shè)備，為單節(jié)鋰離子和鋰聚合物電池提供了卓越的解決方案。本文將深入剖析BQ25616/616J的各項特性、功能以及應(yīng)用設(shè)計，為電子工程師們提供全面的技術(shù)參考。

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一、產(chǎn)品概述

BQ25616/616J主要用于單節(jié)鋰離子和鋰聚合物電池，集成了輸入反向阻斷FET（RBFET）、高端開關(guān)FET（HSFET）、低端開關(guān)FET（LSFET）和電池FET（BATFET），以及用于高端柵極驅(qū)動的自舉二極管。其低阻抗電源路徑優(yōu)化了開關(guān)模式操作效率，減少了電池充電時間，并在放電階段延長了電池續(xù)航時間。

產(chǎn)品特性

1. 高效充電：采用1.5MHz同步開關(guān)模式降壓充電器，在5V輸入、2A充電電流下，充電效率高達(dá)92%。
2. 精準(zhǔn)調(diào)控：具備±0.5%的充電電壓調(diào)節(jié)精度，充電電壓可通過VSET引腳調(diào)節(jié)，支持4.1V、4.2V和4.35V，調(diào)節(jié)精度為±0.4%；充電電流調(diào)節(jié)精度為±6%，輸入電流調(diào)節(jié)精度為±7.5%。
3. 溫度保護(hù)：支持JEITA（BQ25616J）或Hot/Cold（BQ25616）溫度傳感曲線，內(nèi)置10小時充電安全定時器。
4. USB OTG功能：支持USB On-The-Go（OTG），5V升壓轉(zhuǎn)換器輸出電流可達(dá)1.2A，1A輸出時升壓效率為92%，且具有精確的恒流（CC）限制。
5. 寬輸入范圍：單輸入支持USB輸入、高壓適配器或無線電源，輸入電壓范圍為4V至13.5V，絕對最大輸入額定值為22V，具備130ns快速關(guān)斷輸入過壓保護(hù)，可選外部OVPFET，可承受高達(dá)30V的輸入電壓。
6. 低功耗設(shè)計：低 (R_{DSON}) 19.5 - mΩ BATFET可最大限度減少充電損耗，延長電池續(xù)航時間；系統(tǒng)待機(jī)時電池泄漏電流低至9.5μA。
7. 安全認(rèn)證：獲得IEC 62368 - 1 CB認(rèn)證。

二、應(yīng)用領(lǐng)域

BQ25616/616J適用于多種電子設(shè)備，包括電子銷售點（EPOS）設(shè)備、無線揚(yáng)聲器、工業(yè)和醫(yī)療便攜式電子產(chǎn)品等。其高性能和高集成度特點，使其能夠滿足不同應(yīng)用場景的需求。

三、詳細(xì)功能解析

（一）電源啟動與模式

1. 上電復(fù)位（POR）：設(shè)備從VBUS和BAT中較高的電壓為內(nèi)部偏置電路供電。當(dāng) (V{VBUS}) 高于 (V{VBUSUVLOZ}) 或 (V{BAT}) 高于 (V_{BAT_UVLOZ}) 時，睡眠比較器、電池耗盡比較器和BATFET驅(qū)動器激活。
2. 僅電池供電啟動：若只有電池且電壓高于耗盡閾值（ (V_{BATDPLZ}) ），BATFET導(dǎo)通，將電池連接到系統(tǒng)。REGN關(guān)閉以最小化靜態(tài)電流，低 (R{DSON}) 的BATFET和低靜態(tài)電流可減少傳導(dǎo)損耗，延長電池續(xù)航時間。
3. 輸入源供電啟動：插入輸入源時，設(shè)備檢查輸入源電壓，開啟REGN LDO和所有偏置電路，檢測并設(shè)置輸入電流限制后啟動降壓轉(zhuǎn)換器。啟動順序包括：開啟ACFET（可選）、開啟REGN LDO、進(jìn)行不良源鑒定、通過D + /D - 檢測輸入源類型以設(shè)置默認(rèn)輸入電流限制（IINDPM閾值）、設(shè)置輸入電壓限制閾值（VINDPM閾值）、啟動轉(zhuǎn)換器。

（二）充電模式

1. 降壓模式：設(shè)備采用高效的1.5MHz降壓開關(guān)調(diào)節(jié)器，固定頻率振蕩器可在各種輸入電壓、電池電壓、充電電流和溫度條件下嚴(yán)格控制開關(guān)頻率，簡化輸出濾波器設(shè)計。默認(rèn)支持PFM操作，以實現(xiàn)系統(tǒng)電壓調(diào)節(jié)期間的快速瞬態(tài)響應(yīng)和更好的輕載效率。
2. 升壓模式：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。輸出電壓穩(wěn)定在5V，輸出電流可達(dá)1.2A，具有恒流調(diào)節(jié)功能。啟動升壓模式需滿足OTG引腳為高、VBUS小于 (V{BAT}+V{SLEEP}) 、TS引腳電壓在可接受范圍內(nèi)、延遲30ms且無故障等條件。

（三）電源路徑管理

1. 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180mV。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 (V_{DS}) 。
2. 動態(tài)功率管理（DPM）：為滿足USB規(guī)范中的最大電流限制并避免適配器過載，設(shè)備采用DPM功能，持續(xù)監(jiān)控輸入電流和輸入電壓。當(dāng)輸入源過載時，設(shè)備會降低充電電流，若充電電流降至零仍過載，系統(tǒng)電壓開始下降，此時設(shè)備自動進(jìn)入補(bǔ)充模式，BATFET導(dǎo)通，電池開始放電，以支持系統(tǒng)運行。
3. 補(bǔ)充模式：當(dāng)系統(tǒng)電壓低于電池電壓時，BATFET導(dǎo)通，其柵極電壓被調(diào)節(jié)，使低電流時BATFET的 (V{DS}) 保持在30mV，防止進(jìn)入和退出補(bǔ)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 (R{DSON}) ，直到完全導(dǎo)通。當(dāng)電池低于電池耗盡閾值時，BATFET關(guān)閉，退出補(bǔ)充模式。

（四）電池充電管理

1. 自主充電周期：當(dāng)電池充電啟用（CE引腳為低）時，設(shè)備自動完成充電周期。充電參數(shù)包括充電電壓（通過VSET引腳設(shè)置）、充電電流（通過ICHG引腳設(shè)置）、預(yù)充電電流（為充電電流的5%）、終止電流（為充電電流的5%）、溫度曲線（BQ25616J為JEITA，BQ25616為Hot/Cold）和安全定時器（10小時）。當(dāng)充電電流低于終止閾值、電池電壓高于再充電閾值且設(shè)備不在DPM模式或熱調(diào)節(jié)模式時，充電周期自動終止。當(dāng)充滿電的電池放電到再充電閾值以下時，設(shè)備自動開始新的充電周期。
2. 電池充電曲線：設(shè)備分五個階段對電池進(jìn)行充電：電池短路、預(yù)調(diào)節(jié)、恒流、恒壓和頂部涓流充電。根據(jù)電池電壓，調(diào)節(jié)充電電流和電壓。
3. 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。充電完成后，BATFET關(guān)閉，STAT引腳置高表示充電完成。若設(shè)備處于IINDPM/VINDPM調(diào)節(jié)或熱調(diào)節(jié)模式，實際充電電流可能小于終止值，此時終止暫時禁用。
4. 熱敏電阻鑒定：設(shè)備通過TS引腳的單個熱敏電阻輸入監(jiān)控電池溫度。BQ25616J遵循JEITA指南，在特定溫度范圍內(nèi)調(diào)整充電電流和電壓；BQ25616提供簡單的Hot/Cold溫度窗口。在升壓模式下，設(shè)備監(jiān)控電池溫度，當(dāng)溫度超出 (V{BCOLD}) 和 (V{BHOT}) 閾值時，暫停升壓模式。
5. 充電安全定時器：設(shè)備內(nèi)置安全定時器，防止因電池異常導(dǎo)致的長時間充電。電池低于 (V_{BATLOW}) 閾值時，安全定時器為2小時；高于該閾值時，為10小時。安全定時器到期時，STAT引腳以1Hz閃爍報告故障。在IINDPM/VINDPM調(diào)節(jié)或熱調(diào)節(jié)模式下，安全定時器計數(shù)速度減半。當(dāng)出現(xiàn)導(dǎo)致充電暫停的故障時，安全定時器暫停，故障消除后恢復(fù)。

（五）狀態(tài)輸出與保護(hù)功能

1. 狀態(tài)輸出：PG引腳在輸入源良好時置低；STAT引腳指示充電狀態(tài)，充電進(jìn)行中為低，充電完成或禁用為高，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1Hz閃爍。
2. 保護(hù)功能
   • 輸入電流限制：當(dāng)D + /D - 檢測到未知適配器時，通過ILIM引腳設(shè)置最大輸入電流。
   • 過壓保護(hù)：包括輸入過壓保護(hù)（ACOV）和系統(tǒng)過壓保護(hù)（SYSOVP），可防止過高電壓損壞設(shè)備。
   • 熱調(diào)節(jié)和熱關(guān)斷：監(jiān)控內(nèi)部結(jié)溫，當(dāng)結(jié)溫超過熱調(diào)節(jié)限制（110°C）時，降低充電電流；當(dāng)結(jié)溫超過熱關(guān)斷閾值（150°C）時，關(guān)閉轉(zhuǎn)換器和BATFET，結(jié)溫降至130°C時恢復(fù)。
   • 電池保護(hù)：包括電池過壓保護(hù)（BATOVP）、電池過放電保護(hù)和系統(tǒng)過流保護(hù)，可保護(hù)電池免受損壞。

四、應(yīng)用設(shè)計

（一）典型應(yīng)用

BQ25616/616J可配置為獨立的電源路徑管理設(shè)備和單節(jié)電池充電器，適用于智能手機(jī)和其他便攜式設(shè)備。外部ACFET可選，不使用外部OVP時，可將VBUS和VAC引腳短路，讓ACDRV引腳浮空。

（二）設(shè)計步驟

以無外部OVP的應(yīng)用為例，設(shè)計步驟如下：

1. 電感選擇：1.5MHz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。
2. 輸入電容和電阻：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端MOSFET的漏極和低端MOSFET的源極放置。在升壓模式下，當(dāng)輸出電流超過700mA時，建議在VBUS上使用10kΩ下拉電阻。
3. 輸出電容：輸出電容應(yīng)具有足夠的紋波電流額定值，以吸收輸出開關(guān)紋波電流。充電器設(shè)備針對大于10μF的陶瓷輸出電容進(jìn)行了內(nèi)部環(huán)路補(bǔ)償優(yōu)化，建議使用10V額定的X7R或X5R陶瓷電容。

五、布局指南

為了實現(xiàn)最小的開關(guān)損耗，應(yīng)盡量減小開關(guān)節(jié)點的上升和下降時間。合理布局組件，以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。具體布局步驟如下：

1. 將輸入電容盡可能靠近PMID引腳和GND引腳連接，并使用最短的銅跡線連接或GND平面。添加一個1nF的小尺寸（如0402或0201）去耦電容，以過濾高頻噪聲并改善EMI。
2. 將電感輸入引腳盡可能靠近SW引腳，減小該跡線的銅面積以降低電場和磁場輻射，但要確保跡線足夠?qū)捯猿休d充電電流。避免使用多層并聯(lián)連接，減小該區(qū)域與其他跡線或平面的寄生電容。
3. 將輸出電容放置在電感和設(shè)備附近，接地連接應(yīng)通過短銅跡線連接或GND平面連接到IC接地。
4. 分別布線模擬地和電源地，使用散熱墊作為單一接地連接點將模擬地和電源地連接在一起，或使用0Ω電阻將模擬地連接到電源地。
5. 使用單一接地連接將充電器電源地連接到充電器模擬地，位于設(shè)備下方。使用接地銅澆鑄，但避免電源引腳，以減少電感和電容噪聲耦合。
6. 在IC引腳旁邊放置去耦電容，并使跡線連接盡可能短。
7. 確保設(shè)備封裝背面的暴露散熱墊焊接到PCB接地，并確保IC下方有足夠的熱過孔連接到其他層的接地平面。
8. 確保過孔的數(shù)量和尺寸允許給定電流路徑有足夠的銅。

六、總結(jié)

BQ25616/616J憑借其高效的充電性能、精準(zhǔn)的調(diào)控能力、完善的保護(hù)機(jī)制和靈活的應(yīng)用設(shè)計，為單節(jié)鋰離子和鋰聚合物電池的充電管理提供了可靠的解決方案。電子工程師在設(shè)計相關(guān)產(chǎn)品時，可根據(jù)具體需求合理選擇和應(yīng)用該設(shè)備，以實現(xiàn)產(chǎn)品的高性能和高可靠性。同時，在實際應(yīng)用中，還需注意布局和設(shè)計細(xì)節(jié)，以充分發(fā)揮設(shè)備的優(yōu)勢。大家在使用BQ25616/616J過程中遇到過哪些問題呢？歡迎在評論區(qū)分享交流。