bq2409x系列高度集成的锂离子和锂极化线性充电器设备

　　特点
　　•充电
　　–1%充电电压精度
　　–10%充电电流精度
　　–插针可选USB 100毫安和500毫安最大输入电流限制
　　–可编程终端和预充电阈值
　　•保护
　　–6.6 V过压保护
　　–输入电压动态电源管理
　　–125°C热调节；150°C热调节
　　•停机保护
　　–输出短路保护和ISET短路
　　•检测
　　–通过电池NTC在JEITA范围内运行–在冷态下为1/2快速充电电流，在热态下为4.06V，bq24092/3
　　–固定10小时安全计时器
　　•系统
　　–自动终止和计时器禁用
　　•无电池组的模式（TTDM）
　　•热敏电阻
　　–状态指示–充电/完成
　　–提供10针MSOP小包装
　　应用
　　•智能手机
　　•PDA
　　•MP3播放器
　　•低功耗手持设备
　　说明
　　bq2409x系列设备是高度集成的锂离子和锂极化线性充电器设备，针对空间有限的便携式应用。这些设备可以通过USB端口或AC适配器进行操作。具有输入过电压保护的高输入电压范围支持低成本的无调节适配器。
　　bq2409x有一个单独的电源输出，为电池充电。只要系统平均负载在10小时安全计时器内不能使电池完全充电，系统负载就可以与电池并联。
　　蓄电池的充电分为三个阶段：调节、恒流和恒压。在所有充电阶段，内部控制回路监测IC结温度，如果超过内部温度阈值，则降低充电电流。
　　充电器功率级和充电电流检测功能完全集成。充电器功能具有高精度的电流和电压调节回路、充电状态显示和充电终止。预充电电流和终端电流阈值通过外部电阻编程。快速充电电流值也可通过外部电阻器进行编程。
　　设备信息
　　
　　注：有关所有可用的软件包，请参阅数据表末尾的可订购附录。
　　
　　典型特征
　　设置：bq2409x典型应用示意图；车辆识别号=5V，VBAT=3.6V（除非另有说明）。
　　通电、断电、OVP、禁用和启用波形。
　　
　　保护电路波形
　　
　　详细说明
　　概述
　　bq2409x是一个高度集成的单电池锂离子和锂极化充电器系列。充电器可用于给电池充电、为系统供电或两者兼而有之。充电器有三个充电阶段：预充电以恢复完全放电的电池；快速充电恒流以安全地提供降压充电；电压调节以安全地达到满容量。充电器非常灵活，允许编程快速充电电流和预充电/终止电流。该充电器设计用于USB连接或适配器（直流输出）。充电器还会检查是否有电池。
　　充电器还配有全套安全功能：JEITA温度标准、过压保护、DPM-IN、安全计时器和ISET短路保护。下面将详细介绍所有这些功能和更多功能。
　　充电器设计用于从输入到输出的单一电源路径，为单电池锂离子或锂电池组充电。应用5VDC电源时，进行ISET和OUT短路检查，以确保正确的充电周期。
　　如果蓄电池电压低于低电压阈值，则认为蓄电池已放电，并开始预处理循环。预充电电流的大小可以使用预充电引脚进行编程，该引脚编程一个百分比的快速充电电流（10%至100%）作为预充电电流。当系统负载通过电池“窃取”电池电流时，此功能非常有用。预充电电流可以设置得更高，以考虑系统负载，同时允许蓄电池进行适当调节。PRE-TERM引脚是一个双功能引脚，用于设置预充电电流电平和终端阈值电平。终端“电流阈值”始终是预充电编程电流水平的一半。
　　一旦电池电压充电到VLOWV阈值，就会启动快速充电并施加快速充电电流。使用ISET引脚编程快速充电恒流。恒流提供大部分电荷。在电池电压较低的情况下，快速充电时，集成电路的功耗最大。如果集成电路达到125°C，集成电路进入热调节，将定时器时钟减慢一半，并根据需要降低充电电流，以防止温度进一步升高。图14显示了具有热调节的充电曲线。通常在正常工作条件下，集成电路的结温低于125°C，且不进入热调节。
　　一旦电池充电到调节电压，电压回路就会控制并保持电池在调节电压下，直到电流逐渐减小到终止阈值。如果需要，可以禁用终端。CHG引脚仅在第一次充电循环期间处于低电平（LED亮起），并在达到终止阈值后关闭，无论充电电流的终止是启用还是禁用。
　　更多细节在功能描述部分中提到。
　　
　　功能框图
　　
　　特征描述
　　断电或欠压锁定（UVLO）
　　如果输入引脚电压小于UVLO，则bq2409x系列处于断电模式。该部分被认为是“死”和所有引脚是高阻抗。一旦输入电压上升到UVLO阈值以上，集成电路将根据输出引脚（电池）电压进入休眠模式或激活模式。
　　紫外线
　　如果输入引脚电压小于VUVLO，则bq2409x系列处于断电模式。该部分被认为是“死”和所有引脚是高阻抗。
　　通电
　　当输入电压超过UVLO（参见休眠模式）后，IC仍处于活动状态，重置所有逻辑和定时器，并开始执行许多连续监测程序。通常，输入电压通过UVLO和休眠状态快速上升，IC宣布功率良好，以100mA开始合格充电，基于ISET2引脚设置输入电流限制阈值，启动安全定时器并启用CHG引脚。见图15。
　　睡眠模式
　　如果输入引脚电压在VOUT+VDT和UVLO之间，则充电电流被禁用，安全定时器计数停止（未重置），PG和CHG引脚为高阻抗。当输入电压升高，充电器退出睡眠模式时，PG引脚变低，安全定时器继续计数，充电启用，CHG引脚返回其先前状态。见图16。
　　新充电周期
　　当使用良好的电源，执行芯片禁用/启用（TS pin）、退出终端和定时器禁用模式（TTDM）、检测到电池插入或输出电压低于VRCH阈值时，将启动新的充电循环。CHG引脚仅在第一个充电循环期间处于低激活状态，因此，如果CHG引脚已经具有高阻抗，退出TTDM或低于VRCH将不会打开CHG引脚FET。
　　
　　过压保护（OVP）-持续监控
　　如果输入源施加过电压，则通场效应管（如果先前打开）在脱锂后关闭，tBLK（OVP）。定时器结束，CHG和PG引脚进入高阻抗状态。一旦过电压恢复到正常电压，PG引脚变低，定时器继续，充电继续，并在25毫秒脱胶后CHG引脚变低。PG pin在某些包上是可选的。
　　电源良好指示（PG）
　　在使用5V电源后，输入电压上升到高于UVLO和睡眠阈值（VIN》VBAT+VDT），但小于OVP（VIN《VOVP），然后PG FET打开并提供低阻抗接地路径。参见图1、图2和图10。
　　CHG引脚指示
　　充电管脚有一个内部开漏场效应管，该场效应管仅在第一次充电期间（独立于TTDM）打开（下拉至VSS），并且在电池达到电压调节且充电电流逐渐减小至由前置电阻器设置的终止阈值时关闭。
　　充电管脚在睡眠模式和OVP（如果PG是高阻抗）下是高阻抗的，并且在条件消除后返回到以前的状态。
　　循环输入电源，将TS引脚拉低并释放或进入预充电模式，导致CHG引脚复位（如果电源良好且连接了已放电的电池，则变低），并被视为首次充电的开始。
　　CHG和PG LED上拉电源
　　对于主机监控，在主机的状态引脚和VCC之间使用一个上拉电阻器，对于视觉指示，在状态引脚和电源之间连接一个与LED串联的电阻器。如果CHG或PG电源能够超过7V，则应使用6.2V齐纳二极管来钳制电压。如果电源是输出引脚，请注意，随着电池电压的变化，LED的亮度也会变化。
　　
　　IN-DPM（VIN-DPM 或 IN–DPM）
　　IN-DPM功能用于检测由于负载过大而达到其电流限制的输入源电压正在向后折叠（电压下降）。当输入电压降到VIN-DPM阈值时，内部通场效应晶体管开始减小电流，直到输入端的电压不再下降。这将防止电压低于VIN-DPM的电源为输出引脚供电。只要额定电压分别高于4.3V和4.4V，这在限流适配器和USB端口上都能很好地工作。这是一个附加的安全功能，有助于保护电源免受过度负载。
　　输出
　　充电器的输出引脚为电池和系统（如果有）提供电流。该集成电路可用于为电池充电并为系统供电，仅为电池充电或仅为系统供电（假设负载不超过可用电流）。OUT引脚是一个电流有限的电源，具有固有的短路保护功能。如果系统负载超过输出编程电流阈值，则输出将被放电，除非存在足够的电容或充电电池来补充过大的负载。
　　ISET
　　外部电阻用于编程输出电流（50至1000mA），并可用作电流监视器。
　　
　　其中：
　　•IOUT是所需的快速充电电流
　　•KISET是电气规范中的增益因子
　　为了在较低的电流下获得更高的精度，禁用了部分传感场效应管以提供更好的分辨率。图11显示了从低电流到高电流的转变。从高电流到低电流，存在滞后现象，并在0.15A左右发生转变。
　　ISET电阻短路保护，检测到电阻低于340Ω。检测需要至少80毫安的输出电流。如果检测到“短路”，则IC将锁定，并且只能通过循环电源重置。如图18所示，输出电流在内部钳制为1.1A到1.35A之间的最大电流，并且独立于ISET短路检测电路。另外，见图24和图7。
　　
　　
　　预充电-预充电和终端可编程阈值
　　PRE_项用于对预充电电流和终止电流阈值进行编程。预充电电流水平比终端电流水平高2倍。终端可以设置在ISET设定的编程输出电流水平的5%到50%之间。如果保持浮动，终端和预充电在内部分别设置为10/20%。预充电到快速充电，Vlowv阈值设置为2.5V。
　　
　　式中：
　　•%项是终止时快速充电电流的百分比
　　•%预充电是预充电期间所需快速充电电流的百分比
　　•KTERM和KPRE-CHG是电气规范中的增益因数
　　ISET2标准
　　ISET2是一个三态输入，并编程输入电流限制/调节阈值。low将通过ISET电阻器编程调节快速充电电流，是任何ISET2设置的最大允许输入/输出电流，Float将编程100毫安电流限制，High将编程500毫安电流限制。
　　以下是驱动3态ISET2引脚的两种配置：
　　
　　TS
　　bq2409x系列包含NTC监控功能。bq24090、bq24091和bq24095的TS功能遵循经典温度范围，当电池温度超出0°C和45°C工作温度窗口时，禁用充电。bq24092和bq24093的TS功能设计遵循锂离子和锂极化电池的新Jeta温度标准。现在有四个阈值，60°C、45°C、10°C和0°C。正常工作发生在10°C和45°C之间。如果在0°C和10°C之间，充电电流水平被降低一半，如果在45°C和60°C之间，调节电压降低到4.1V最大，见图17。
　　bq2409x系列有监测10k和100k NTC热敏电阻的设备。bq24090/2/5设计用于10k NTC。对于这些设备，使用内部50μA电流源实现TS功能，以使从TS引脚连接到VSS的热敏电阻（设计用于10k NTCβ=3370（SEMITEC 103AT-2或三菱TH05-3H103F）偏置。如果不需要此功能，可以在TS和VSS之间设置固定的10k，以允许正常操作。如果主机正在监视热敏电阻，然后主机将确定何时将TS引脚拉低以禁用充电，则可以执行此操作。bq24091/3设计用于10万NTC。对于这些器件，使用内部5μA电流源实现TS特性，以使从TS引脚连接到VSS的热敏电阻（设计用于100k NTCβ=3370）偏置。如果不需要此功能，可以在TS和VSS之间放置一个固定的100k，以允许正常操作。如果主机正在监视热敏电阻，然后主机将确定何时将TS引脚拉低以禁用充电，则可以执行此操作。
　　当TS销拉低或浮动/驱动高时，TS销有两个附加功能。低可禁用充电（类似于BAT_EN功能的高），高可将充电器置于TTDM中。
　　高于60°C或低于0°C时，充电被禁用。当热敏电阻达到≈-10°C时，TS电流会向后折叠，以防止将集成电路置于TTDM模式下的冷热敏电阻（介于-10°C和-50°C之间）。如果将TS引脚拉低至禁用模式，电流将减小至≈30μA，见图15。由于ITS电流和温度阈值是固定的，所以除了10k或100k（取决于IC）NTC（25°C）之外，不可能使用其他热敏电阻值。
　　设备功能模式
　　终端和定时器禁用模式（TTDM）-TS引脚高
　　当从拆卸热敏电阻（拆卸蓄电池组/浮动TS管脚）或将TS管脚拉到TTDM阈值时，TS管脚变高，蓄电池充电器处于TTDM状态。
　　当进入TTDM时，10小时安全定时器保持在复位状态，终止功能被禁用。运行电池检测例行程序以查看电池是否已卸下。如果电池已被卸下，则CHG引脚将转到其高阻抗状态（如果还没有）。如果检测到电池，CHG引脚不会改变状态，直到电流逐渐变细到终止阈值，如果没有，CHG引脚将进入高阻抗状态（调节输出将保持打开）。
　　充电模式不变（仍有预充电、快速充电恒流和恒电压模式）。这意味着电池仍然安全充电，电流可以逐渐减小到零。
　　当从TTDM出来时，电池检测程序运行，如果检测到电池，则开始新的充电循环，并点亮CHG LED。
　　如果在拆卸带有热敏电阻的蓄电池时不需要TTDM，可以在TS和VSS之间添加237k电阻以禁用TTDM。这就防止了电流源将TS引脚驱动到TTDM中。这在热态下产生≈0.1°C误差，在冷态下产生≈3°C误差。
　　计时器
　　预充电计时器设置为30分钟。预充电电流可编程设置为关闭任何系统负载，确保30分钟足够。
　　快速充电定时器固定在10小时，可通过热调节、INDPM或USB电流限制实时增加。计时器时钟的速度慢了2倍，导致在这些模式下时钟的速度比计数快一半。如果30分钟或10小时计时器超时，则充电终止，如果尚未处于该状态，则CHG引脚将变为高阻抗。定时器通过禁用集成电路、循环供电或进出TTDM来复位。
　　终止
　　一旦输出引脚高于VRCH（达到电压调节），电流逐渐下降至终端阈值，CHG引脚将变为高阻抗，并运行电池检测路径，以确定电池是否已卸下或电池是否已满。如果有蓄电池，充电电流将终止。如果连同热敏电阻一起拆下蓄电池，则TS引脚将被驱动到高位，充电进入TTDM。如果电池已卸下且TS引脚保持在激活区域，则电池检测程序将继续，直到电池插入。
　　电池检测程序
　　电池检测程序应在保持输出引脚处于可用电压的同时，检查是否有电池丢失。当电池丢失时，CHG引脚应为高阻抗。
　　当进入和退出TTDM时，电池检测程序将运行，以确认是否有电池，如果电池不在TTDM中，则将一直运行。通电时，如果电池电压大于VRCH阈值，则运行电池检测例程以确定是否存在电池。
　　当IC处于TTDM或TS故障时，电池检测例行程序被禁用。电池检测流程图见图20。
　　刷新阈值
　　终止后，如果输出引脚电压降至VRCH（低于规定值100毫伏），则会启动新的充电，但CHG引脚仍保持在高阻抗（关）。
　　在充满电的电池上开始充电
　　在充电周期的第一分钟，终止阈值提高了14%，因此，如果取出并重新插入充满的电池或启动新的充电周期，则新的充电将终止（小于1分钟）。已经放松了许多小时的电池可能需要几分钟才能逐渐降低到终止阈值并终止充电。
　　
　　应用与实施
　　注意：以下应用程序部分中的信息不属于ti组件规范的一部分，TI不保证其准确性或完整性。TI的客户负责确定部件是否适合其用途。客户应验证和测试其设计实现，以确认系统功能。
　　申请信息
　　bq2409x系列设备是高度集成的锂离子和锂极化线性充电器设备，适用于空间有限的便携式应用。这些设备可以通过USB端口或AC适配器进行操作。具有输入过电压保护的高输入电压范围支持低成本的无调节适配器。这些设备只有一个能给电池充电的电源输出。只要系统平均负载在10小时安全计时器内不能使电池完全充电，系统负载就可以与电池并联。
　　典型应用
　　
　　设计要求
　　•电源电压=5 V
　　•快速充电电流：IOUT-FC=540毫安；ISET引脚2
　　•终止电流阈值：IOUT-FC=快速充电的10%或大约54毫安
　　•预充电电流默认为终端电流的两倍或约108mA
　　•TS–电池温度感测=10k NTC（103AT）
　　详细设计程序
　　计算
　　编程快速充电电流，ISET：
　　竖板=［K（ISET）/I（OUT）］
　　从电气特性表。K（组）=540AΩ
　　上升率=［540AΩ/0.54A］=1.0 kΩ
　　选择最接近的标准值，在ISET（引脚16）和VSS之间使用1 kΩ电阻。
　　编程终止电流阈值，ITERM：
　　
　　选择最接近的标准值，在ITERM（引脚15）和车速传感器之间使用2 kΩ电阻。
　　使用20%作为预充电值（2个差异因数），可以得到相同的值。
　　
　　TS功能
　　在电池组（103AT）中使用10kΩNTC热敏电阻。
　　要禁用温度检测功能，请在TS（引脚1）和车速传感器之间使用固定的10kΩ电阻器。
　　CHG和PG
　　LED状态：将一个1.5kΩ电阻器与一个LED串联，连接在输出引脚和CHG引脚之间。将一个1.5kΩ电阻与一个LED串联，连接在输出引脚和和PG引脚之间。
　　处理器监视：在处理器的电源轨和CHG引脚之间连接一个上拉电阻器。在处理器的电源轨和PG引脚之间连接一个上拉电阻器。
　　选择输入和输出引脚电容器
　　在大多数应用中，所需的只是电源引脚、输入和输出引脚上的高频去耦电容器（陶瓷）。建议使用应用程序关系图中显示的值。在实际系统运行条件下对这些电压信号进行评估后，可以确定电容值是否可以调整到最小推荐值（直流负载应用）或快速高振幅脉冲负载应用的更高值。注：如果设计用于高输入电压源（坏的适配器或错误的适配器），电容器需要适当的额定值。陶瓷电容器的测试是其额定值的2倍，因此16V电容器可能足以承受30V瞬态（与电容器制造商核实测试额定值）。
　　应用曲线
　　
　　电源建议
　　这些器件设计为在3.5v到12v的输入电压和至少最大设计充电电流的电流能力下工作。这种输入供应应该得到很好的调节。如果距离bq2409x输入和接地端子超过几英寸，建议使用更大的电容器。
　　布局
　　布局指南
　　为了获得最佳性能，从输入到接地（热垫）的去耦电容器和从输出到接地（热垫）的输出滤波电容器应尽可能靠近bq2409x，并短距离追踪到输入、输出和接地（热垫）。
　　•所有低电流接地连接应与电池的高电流充电或放电路径分开。使用同时包含小信号接地路径和电源接地路径的单点接地技术。
　　•进入输入引脚和从输出引脚的大电流充电路径的尺寸必须适合最大充电电流，以避免这些轨迹中的电压下降。
　　•bq2409x系列采用热增强型MLP封装。该封装包括热垫，以在集成电路和印刷电路板（PCB）之间提供有效的热接触；该热垫也是设备的主要接地连接。将热垫连接到PCB接地连接。最好在集成电路的电源板上和附近使用多个10mil通孔，将热量传导到底部接地层。底部地面应避免留下“切断”热路径的痕迹。PCB越薄，温升越小。EVM PCB的厚度为0.031英寸，在顶部和底部使用2盎司（2.8密耳厚）的铜，是最佳热性能的一个很好的例子。
　　布局示例
　　
　　热因素
　　bq2409x系列封装在热增强MSOP封装中。该封装包括热垫，以在IC和印刷电路板（PCB）之间提供有效的热接触。电源板应直接连接到VSS引脚。此封装的完整PCB设计指南在标题为：电源板热增强封装说明（SLMA002）的应用说明中提供。测量封装热性能最常用的方法是从芯片连接点到封装表面周围空气（环境）测量（或建模）的热阻抗（θJA）。θJA的数学表达式为：
　　
　　其中
　　•TJ=芯片连接温度
　　•T=环境温度
　　•P=设备功耗
　　影响θJA测量和计算的因素包括：
　　•设备是否安装在板上
　　•痕迹尺寸、成分、厚度和几何形状
　　•设备方向（水平或垂直）
　　•测试设备周围的环境空气体积和气流
　　•其他表面是否靠近被测设备
　　由于锂离子和锂极化电池的充电曲线，当电池电压处于最低值时，通常在充电周期开始时出现最大功耗。通常在快速充电开始后，电池组电压在前2分钟内升高至3.4V。组件的热时间常数通常需要几分钟来加热，因此在进行最大功耗计算时，3.4V是一个很好的最小使用电压。通过在电路板底部的IC（焊盘应该有多个通孔）上绘制温度、充电电流和电池电压随时间的变化曲线，验证了这一点。如果零件进入热调节状态，快速充电电流将开始逐渐减小。
　　器件的功耗P是电荷率和内部功率场效应管电压降的函数。当电池组正在充电时，可根据以下公式计算：
　　
　　热回路特性降低充电电流，以限制IC结温过高。建议在典型工作条件（标称输入电压和标称环境温度）下不进行热调节设计，并在非典型情况下（如热环境或高于正常输入源电压）使用该特性。尽管如此，如果热回路始终处于活动状态，集成电路仍将按所述工作。
　　泄漏电流对电池容量的影响
　　确定电池上的泄漏电流放电的速度是一个简单的计算。从充满到放电的时间可以通过将电池的安培小时容量除以泄漏电流来计算。对于0.75AHr电池和10μa泄漏电流（750mAHr/0.010mA=75000小时），放电需要75k小时或8.8年。实际上，电池的自放电速度要快得多，因此10μA的泄漏可以忽略不计。