BQ25638：高效且靈活的單節(jié)電池充電管理芯片

在電子設(shè)備的設(shè)計中，電池充電管理是一個至關(guān)重要的環(huán)節(jié)。一款優(yōu)秀的充電管理芯片能夠提高充電效率、延長電池壽命，同時保障系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。今天，我們就來深入了解一下德州儀器（TI）推出的BQ25638芯片，它是一款高度集成的5A開關(guān)模式電池充電管理和系統(tǒng)電源路徑管理設(shè)備，專為單節(jié)鋰離子和鋰聚合物電池設(shè)計。

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芯片特性：高效與靈活并存

充電性能卓越

• 高轉(zhuǎn)換效率：BQ25638采用高效的1.5MHz同步開關(guān)模式降壓充電器，在5V輸入下，輸出電流低至10mA時效率仍能超過90%，這意味著在充電過程中能夠有效減少能量損耗，提高充電效率。
• 寬電流調(diào)節(jié)范圍：充電電流最高可達5A，且以80mA為步長進行調(diào)節(jié)，能夠滿足不同電池的充電需求。同時，充電終止電流可在30 - 1000mA范圍內(nèi)以10mA為步長進行設(shè)置，確保電池充電的安全性和準確性。

溫度管理靈活

• JEITA溫度曲線：具備靈活的JEITA溫度曲線，可根據(jù)電池溫度調(diào)整充電參數(shù)，避免在高溫或低溫環(huán)境下對電池造成損害，提高充電安全性。
• 低靜態(tài)電流：在電池僅供電模式下，靜態(tài)電流低至1.5μA；在超低功耗模式下，靜態(tài)電流僅為1.3μA；在關(guān)機模式下，電池漏電流僅為0.1μA，有效延長電池續(xù)航時間。

多功能支持

• USB OTG功能：支持USB On - The - Go（OTG）功能，可將電池能量轉(zhuǎn)換為3.84V - 9.6V的輸出電壓，最大輸出電流可達3.2A，方便為其他設(shè)備充電。
• 寬輸入源支持：支持多種輸入源，包括標準USB主機端口、USB充電端口和符合USB標準的高壓適配器，輸入電壓范圍為3.9V - 18V，絕對最大輸入電壓為26V，適用范圍廣泛。
• NVDC電源路徑管理：采用NVDC電源路徑管理技術(shù)，可在電池耗盡或無電池的情況下確保系統(tǒng)即時啟動，并在適配器滿載時提供電池補充，保障系統(tǒng)穩(wěn)定運行。

高精度監(jiān)測與控制

• 集成12位ADC：內(nèi)置12位ADC，可實時監(jiān)測電壓、電流和溫度等參數(shù)，ADCIN引腳可用于監(jiān)測高達1V的外部信號，為系統(tǒng)提供全面的信息反饋。
• 高精度調(diào)節(jié)：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±5%，確保充電過程的準確性和穩(wěn)定性。

應(yīng)用領(lǐng)域廣泛

BQ25638適用于多種應(yīng)用場景，包括但不限于游戲和計算機配件、智能手機、平板電腦、IP攝像頭、EPOS、便攜式醫(yī)療設(shè)備、消費級可穿戴設(shè)備、智能手表、便攜式揚聲器和TWS耳機等。其高性能和多功能特性能夠滿足不同設(shè)備的充電需求。

器件功能詳細解析

上電與啟動過程

• 上電復(fù)位（POR）：BQ25638從VBUS和BAT中較高的電壓為內(nèi)部偏置電路供電。當任一電壓超過欠壓鎖定（UVLO）閾值時，所有寄存器將復(fù)位為POR值，同時啟用I2C接口進行通信，并產(chǎn)生一個不可屏蔽的INT脈沖，通知主機可以訪問所有寄存器。
• 電池供電啟動：當僅存在電池且電壓高于耗盡閾值（VBAT_UVLOZ）時，芯片進行上電復(fù)位，然后打開BATFET將電池連接到系統(tǒng)。為了最小化靜態(tài)電流，REGN保持關(guān)閉狀態(tài)。BATFET的低導(dǎo)通電阻和電池上的低靜態(tài)電流可最大程度減少傳導(dǎo)損耗，延長電池續(xù)航時間。
• 輸入源供電啟動：當插入輸入源且VBAT < VBAT_UVLOZ時，芯片進行上電復(fù)位，然后檢查輸入源電壓以開啟REGN LDO和所有偏置電路。在啟動降壓轉(zhuǎn)換器之前，芯片會檢測并設(shè)置輸入電流限制。具體啟動順序包括REGN LDO上電、劣質(zhì)源鑒定、輸入電壓限制閾值設(shè)置和轉(zhuǎn)換器上電。

電源路徑管理

• NVDC架構(gòu)：采用Narrow VDC架構(gòu)，通過BATFET將系統(tǒng)與電池分離。最小系統(tǒng)電壓由VSYSMIN寄存器設(shè)置，即使電池完全耗盡，系統(tǒng)也能調(diào)節(jié)到最小系統(tǒng)電壓。如果充電啟用，BATFET以線性模式（LDO模式）工作。POR時默認的最小系統(tǒng)電壓為3.52V。
• 動態(tài)功率管理（DPM）：為了在不使適配器過載的情況下最大化輸入電流，充電器采用動態(tài)功率管理技術(shù)，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（IINDPM）或電壓低于輸入電壓限制（VINDPM），芯片會降低充電電流，直到輸入電流低于限制且輸入電壓高于限制。如果充電電流降至零但輸入源仍然過載，系統(tǒng)電壓開始下降，此時芯片將自動進入補充模式，打開BATFET使電池放電以支持系統(tǒng)。

電池充電管理

• 自主充電循環(huán)：當電池充電啟用（EN_CHG位 = 1且CE引腳為低電平）時，芯片可自主完成充電循環(huán)，無需主機干預(yù)。默認充電參數(shù)包括充電電壓（VREG）為4.2V、再充電閾值（VRECHG）為VREG - 100mV、涓流充電電流（ITRICKLE）為80mA、預(yù)充電電流（IPRECHG）為200mA、快速充電電流（ICHG）為2000mA、終止電流（ITERM）為200mA，且頂充定時器默認禁用。
• 充電階段：芯片采用五階段充電模式，包括涓流充電、預(yù)充電、恒流充電、恒壓充電和可選的頂充階段。在充電過程中，如果充電器處于DPM調(diào)節(jié)或熱調(diào)節(jié)狀態(tài)，充電電流可能低于編程值，此時終止功能將暫時禁用，充電安全定時器將以半時鐘速率計數(shù)。
• 充電終止：當電池電壓高于再充電閾值且電池電流低于終止電流時，充電循環(huán)終止。在IINDPM、VINDPM或熱調(diào)節(jié)環(huán)路激活時，充電不會終止。充電完成后，BATFET關(guān)閉，轉(zhuǎn)換器繼續(xù)運行以為系統(tǒng)供電，BATFET可再次打開以進入補充模式。終止功能可通過將EN_TERM位寫為0來永久禁用。

保護功能

• 過流保護：具備兩級電池過流保護。IBAT_PK閾值由IBAT_PK設(shè)置，為電池放電提供快速（100μs）保護；IBATFET_OCP為BATFET提供較慢（50ms）的固定閾值保護。如果電池放電電流超過任一閾值且持續(xù)時間達到消隱時間，BAT_FAULT_STAT和BAT_FAULT_FLAG故障寄存器位將置為1，BATFET進入打嗝模式。
• 欠壓鎖定：在僅電池模式下，如果VBAT低于VBAT_UVLO，芯片將禁用BATFET，將系統(tǒng)與電池分離，同時禁用I2C。當VBAT高于VBAT_UVLOZ或VBUS高于VYBUS_UVLOZ時，I2C重新啟用，寄存器復(fù)位為POR值。
• 過壓保護：當VBUS電壓超過VUBUS_OVP時，轉(zhuǎn)換器立即停止開關(guān)，以保護內(nèi)部功率MOSFET，并施加IPMID_LOAD放電電流以降低VBUS電壓。當VBUS降至VVBUS_OVPZ以下時，轉(zhuǎn)換器恢復(fù)開關(guān)。

寄存器配置與編程

BQ25638通過I2C接口進行靈活的充電參數(shù)編程和即時設(shè)備狀態(tài)報告。芯片具有多個寄存器，用于設(shè)置充電電流、充電電壓、輸入電流、輸入電壓、OTG模式參數(shù)等。通過對這些寄存器的配置，可以實現(xiàn)對充電過程的精確控制。

應(yīng)用設(shè)計要點

電感選擇

由于芯片采用1.5MHz的開關(guān)頻率，可使用較小的電感和電容值。電感飽和電流應(yīng)大于充電電流（ICHG）加上一半的紋波電流（IRIPPLE），即(I{SAT} geq I{CHG}+(1 / 2)I_{RIPPLE})。電感紋波電流取決于輸入電壓、占空比、開關(guān)頻率和電感值，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。

輸入電容設(shè)計

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。在占空比為0.5時，最壞情況下的RMS紋波電流為充電電流的一半。建議使用低ESR的陶瓷電容，如X7R或X5R，并將其盡可能靠近PMID引腳和GND引腳連接。

輸出電容設(shè)計

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。輸出電容的RMS電流可通過公式計算，同時可通過增加輸出濾波LC來降低電壓紋波。充電器內(nèi)部環(huán)路補償針對≥10μF的陶瓷輸出電容進行了優(yōu)化，建議使用10V額定電壓的X7R或X5R陶瓷電容。

布局注意事項

為了減少開關(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。具體布局順序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引腳盡可能靠近，將輸出電容放置在電感和芯片附近，將去耦電容放置在芯片引腳旁邊，并確保過孔的數(shù)量和尺寸能夠滿足電流路徑的需求。

總結(jié)

BQ25638是一款功能強大、性能卓越的單節(jié)電池充電管理芯片，具有高效的充電性能、靈活的溫度管理、多功能支持和高精度的監(jiān)測與控制等特點。其廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域和詳細的應(yīng)用設(shè)計要點為電子工程師提供了豐富的設(shè)計選擇。在實際應(yīng)用中，電子工程師可以根據(jù)具體需求對芯片進行合理配置和設(shè)計，以實現(xiàn)最佳的充電效果和系統(tǒng)性能。你在使用BQ25638芯片的過程中遇到過哪些問題呢？歡迎在評論區(qū)分享你的經(jīng)驗和見解。