BQ25890/2：高性能單節(jié)電池充電管理芯片解析

在當今的電子設備領域，電池充電管理至關重要。TI的BQ25890/2芯片憑借其卓越的性能，成為單節(jié)鋰離子和鋰聚合物電池充電管理的理想選擇。今天，我們就來深入了解一下這款芯片。

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芯片概述

BQ25890和BQ25892是高度集成的5A開關模式電池充電管理和系統(tǒng)電源路徑管理設備，專為單節(jié)鋰離子和鋰聚合物電池設計。它們支持高輸入電壓快速充電，低阻抗電源路徑優(yōu)化了開關模式操作效率，減少了電池充電時間，并在放電階段延長了電池壽命。

主要特性

1. 高效充電：采用1.5MHz開關模式降壓充電，在2A充電電流下充電效率達93%，3A時為91%。支持9V - 12V高壓輸入，輕載時采用低功耗PFM模式。
2. USB OTG功能：輸出電壓可在4.5V - 5.5V之間調(diào)節(jié)，支持500kHz和1.5MHz升壓轉換，最大輸出電流可達2.4A，在5V、1A輸出時升壓效率為93%，還具備精確的打嗝模式過流保護。
3. 寬輸入范圍：單輸入支持USB輸入和可調(diào)高壓適配器，輸入電壓范圍為3.9V - 14V，輸入電流限制在100mA - 3.25A之間，分辨率為50mA，支持USB2.0、USB3.0標準和高壓適配器。
4. 智能功能：具備輸入電流優(yōu)化器（ICO），可在不使適配器過載的情況下最大化輸入功率；電阻補償（IRCOMP）功能可從充電器輸出到電池端子進行補償；集成ADC用于系統(tǒng)監(jiān)控（電壓、溫度、充電電流）。
5. 安全可靠：具備電池溫度傳感功能，用于充電和升壓模式，有熱調(diào)節(jié)和熱關斷保護；充電電壓調(diào)節(jié)精度為±0.5%，充電電流調(diào)節(jié)精度為±5%，輸入電流調(diào)節(jié)精度為±7.5%。

應用場景

BQ25890/2適用于多種電子設備，如智能手機、平板電腦和便攜式互聯(lián)網(wǎng)設備等，能滿足這些設備對快速充電和高效電源管理的需求。

詳細功能解析

電源啟動與輸入源檢測

1. 設備上電復位（POR）：內(nèi)部偏置電路由VBUS和BAT中較高的電壓供電。當VBUS高于 (V_{VBUSUVLOZ}) 或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，I2C接口準備好通信，所有寄存器復位為默認值。
2. 輸入源檢測：插入輸入源時，設備檢查輸入源電壓以開啟REGN LDO和所有偏置電路。BQ25890通過USB D+/D-線檢測輸入源類型，支持MaxCharge?握手；BQ25892則通過PSEL和OTG引腳設置輸入電流限制。檢測完成后，INT脈沖通知主機，同時更新相關寄存器和引腳狀態(tài)。

充電管理

1. 自主充電周期：在電池充電啟用（CHG_CONFIG位 = 1且CE引腳為低）的情況下，設備可自主完成充電周期。默認充電參數(shù)包括充電電壓4.208V、充電電流2.048A、預充電電流128mA、終止電流256mA等。當充電電流低于終止閾值、充電電壓高于再充電閾值且設備不在DPM模式或熱調(diào)節(jié)模式時，充電周期自動終止。
2. 充電階段：電池充電分為預調(diào)節(jié)、恒流和恒壓三個階段。根據(jù)電池電壓不同，充電電流會相應調(diào)整。例如，當電池電壓低于2V時，電流為 (I{BATSHORT}) ；2V - 3V時為預充電電流 (I{PRECHG}) ；高于3V時為快速充電電流 (I_{CHG}) 。
3. 電阻補償（IRCOMP）：對于大電流充電系統(tǒng)，芯片提供電阻補償功能，可根據(jù)實際充電電流和電阻增加電壓調(diào)節(jié)設定點，從而延長恒流充電時間，向電池輸送最大功率。計算公式為 (V_{REGACTUAL }=VREG+min left(I{CHRG ACTUAL } × BATCOMP, V{CLAMP }right)) 。
4. 熱敏電阻檢測：芯片通過測量TS引腳和地之間的電壓來監(jiān)測電池溫度，該電壓通常由負溫度系數(shù)熱敏電阻（NTC）和外部分壓器確定。根據(jù)溫度不同，充電參數(shù)會相應調(diào)整，以符合JEITA指南要求。

電源路徑管理

1. 窄VDC架構：采用NVDC架構，BATFET將系統(tǒng)與電池分開。即使電池完全耗盡，系統(tǒng)電壓也能調(diào)節(jié)到最低系統(tǒng)電壓（默認3.5V）以上。當電池電壓低于最低系統(tǒng)電壓設置時，BATFET工作在線性模式；當電池電壓高于最低系統(tǒng)電壓時，BATFET完全導通。
2. 動態(tài)功率管理（DPM）：持續(xù)監(jiān)測輸入電流和輸入電壓，當輸入源過載時，即電流超過輸入電流限制（IINLIM或IDPM_LIM）或電壓低于輸入電壓限制（VINDPM），設備會降低充電電流，直到輸入電流低于限制且輸入電壓高于限制。若充電電流降至零仍過載，系統(tǒng)電壓開始下降，此時BATFET開啟，電池開始放電，系統(tǒng)由輸入源和電池共同供電。
3. 補充模式：當系統(tǒng)電壓低于電池電壓時，BATFET開啟，其柵極被調(diào)節(jié)以保持最低 (V{DS}) 為30mV，防止振蕩。隨著放電電流增加，BATFET柵極電壓升高以降低 (R{DS(ON)}) ，直到完全導通。

升壓模式操作

芯片支持升壓轉換器操作，可將電池的功率通過USB端口輸送到其他便攜式設備。升壓模式輸出電流額定值滿足USB On-The-Go 500mA（BOOSTLIM位 = 000）輸出要求，最大輸出電流可達2.4A。開啟升壓模式需滿足一定條件，如BAT高于 (BAT {LOW }) 、VBUS小于 (BAT+V_{SLEEP}) 、升壓模式操作啟用（OTG引腳為高且OTG_CONFIG位 = 1）等。

安全保護

1. 熱保護：在降壓模式和升壓模式下，芯片都會監(jiān)測內(nèi)部結溫。當結溫超過預設的熱調(diào)節(jié)限制（TREG位）時，降低充電電流；當溫度超過熱關斷溫度 (T_{SHUT }) 時，關閉轉換器和BATFET。
2. 過壓和過流保護：包括輸入過壓（ACOV）、系統(tǒng)過壓保護（SYSOVP）、電池過壓保護（BATOVP）、VBUS過流保護和升壓模式過壓保護等。當檢測到異常情況時，設備會采取相應措施，如停止開關、設置故障寄存器位并向主機發(fā)送INT脈沖。

I2C接口

芯片使用 (I^{2} C) 兼容接口進行靈活的充電參數(shù)編程和即時設備狀態(tài)報告。 (I^{2} C) 是雙向2線串行接口，設備作為目標設備，地址分別為6AH（BQ25890）和6BH（BQ25892）。支持標準模式（最高100kbits）和快速模式（最高400kbits）。

寄存器映射

BQ25890/2的寄存器用于配置和監(jiān)控芯片的各種功能，包括輸入電流限制、充電參數(shù)、升壓模式設置、故障狀態(tài)等。例如，REG00寄存器用于設置輸入電流限制和HIZ模式；REG01寄存器用于設置升壓模式的熱溫度監(jiān)控閾值和輸入電壓限制偏移等。

應用設計

典型應用

典型應用中，芯片被配置為I2C控制的電源路徑管理設備和單節(jié)電池充電器，適用于智能手機和其他便攜式設備。設計時需考慮輸入電壓范圍、輸入電流限制、快速充電電流、輸出電壓等參數(shù)。

詳細設計步驟

1. 電感選擇：芯片的開關頻率為1.5MHz，允許使用較小的電感和電容值。電感飽和電流應高于充電電流 (I{CHG}) 加上一半的紋波電流 (I{RIPPLE}) ，紋波電流可根據(jù)輸入電壓、占空比、開關頻率和電感值計算。
2. 輸入電容選擇：輸入電容應具有足夠的紋波電流額定值，以吸收輸入開關紋波電流。建議使用低ESR陶瓷電容，如X7R或X5R，并將其盡可能靠近PMID引腳和GND引腳連接。
3. 輸出電容選擇：輸出電容同樣需要足夠的紋波電流額定值，以吸收輸出開關紋波電流。為了獲得良好的環(huán)路穩(wěn)定性，建議使用1μH電感和至少20μF的輸出電容，優(yōu)選6V或更高額定電壓的X7R或X5R陶瓷電容。

布局建議

合理的PCB布局對于芯片的性能至關重要。應盡量減少開關節(jié)點的上升和下降時間，以降低開關損耗。具體布局建議包括：

1. 將輸入電容盡可能靠近PMID引腳和GND引腳連接，使用最短的銅跡線或GND平面。
2. 將電感輸入端子盡可能靠近SW引腳，減少該跡線的銅面積以降低電磁輻射，但要保證跡線足夠?qū)捯猿休d充電電流，避免使用多層并行連接，減少該區(qū)域與其他跡線或平面的寄生電容。
3. 將輸出電容放置在靠近電感和IC的位置，接地連接應通過短銅跡線或GND平面連接到IC接地。
4. 模擬地和電源地應分開布線，然后通過電源焊盤或0Ω電阻連接在一起。
5. 使用單一接地連接將充電器電源地和充電器模擬地連接起來，避免電源引腳以減少電感和電容噪聲耦合。
6. 去耦電容應放置在IC引腳旁邊，并使跡線連接盡可能短。
7. 確保IC封裝背面的暴露電源焊盤焊接到PCB接地，并在IC下方設置足夠的熱過孔連接到其他層的接地平面。
8. 過孔的尺寸和數(shù)量應滿足給定電流路徑的要求。

總之，BQ25890/2芯片以其豐富的功能、高效的性能和可靠的安全保護，為單節(jié)電池充電管理提供了優(yōu)秀的解決方案。電子工程師在設計相關產(chǎn)品時，可根據(jù)實際需求合理配置芯片的各項參數(shù)，并遵循布局建議，以實現(xiàn)最佳的充電效果和系統(tǒng)性能。你在使用BQ25890/2芯片的過程中遇到過哪些問題呢？歡迎在評論區(qū)分享交流。