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[经验] bq2404x是高度集成的锂离子线性充电器设备

2020-9-10 17:36:27  57 充电器
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特征
•充电
–1%充电电压精度
–充电准确度10%
–引脚可选USB 100mA和500mA最大输入电流限制
–可编程终端和预充电阈值,bq24040
•保护
–30V输入额定值;带6.6V或7.1V输入过压保护
–输入电压动态电源管理
–125°C热调节;150°C热关机保护
–短路保护和ISET短路检测
–通过电池NTC在JEITA范围内运行–冷态时1/2快速充电电流,热态下4.06V,bq24040
–固定10小时安全计时
•系统
–自动终止和定时器禁用模式(TTDM),适用于带热敏电阻的电池组,bq24040
–状态指示–充电/完成
–提供2×2mm2 DFN-10小包装
–集成的生产线测试自动启动功能,bq24041
应用
智能手机
•PDA
•MP3播放器
•低功耗手持设备
说明
bq2404x系列设备是高度集成的锂离子线性充电器设备,针对空间有限的便携式应用。这些设备通过USB端口或交流适配器工作。具有输入过压保护的高输入电压范围支持低成本的无调节适配器。
bq2404x有一个单一的电源输出,为电池充电。只要平均系统负载不能在10小时安全计时器期间阻止电池完全充电,则可以将系统负载与电池并联。
蓄电池分三个阶段充电:调节、恒流和恒压。在所有充电阶段,内部控制回路监控IC结温度,并在超过内部温度阈值时降低充电电流。

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bq24040上的外部电阻器编程。快速充电电流值也可通过外部电阻器进行编程。
订购信息

典型应用电路:bq24041
IOUT_FAST_CHG=540毫安;IOUT_PRE_CHG=108毫安;IOUT_项=54毫安。

典型应用电路:bq24041,带ASI和ASO
IOUT_FAST_CHG=540毫安;IOUT_PRE_CHG=108毫安;IOUT_项=54毫安。

功能框图

典型运行特性
设置:bq24040典型应用示意图;VIN=5V,VBAT=3.6V(除非另有说明)。
上电、断电、OVP、禁用和启用波形


保护电路波形

功能概述
bq2404x是一个高度集成的2×2单电池锂离子充电器家族。充电器可以用来给电池充电,为系统供电,或者两者兼而有之。充电器有三个阶段的充电: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和电压调节以安全地达到满容量。充电器非常灵活,允许对快速充电电流和预充电/终止电流进行编程(仅限bq24040)。此充电器设计用于USB连接或适配器(DC-out)。充电器还会检查是否有电池。
充电器还配备了全套安全功能:JEITA温度标准(仅限bq24040)、过压保护、DPM-IN、安全定时器和ISET短路保护。下面将详细描述所有这些特性和更多特性。
充电器设计为从输入到输出的单一电源路径,为单电池锂离子电池组充电。应用5VDC电源后,将执行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。预充电电流的量可以使用预充电引脚进行编程,该引脚将快速充电电流的百分比(10%至100%)编程为预充电电流。当系统负载通过电池连接“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,以适应系统负载,同时使蓄电池得到适当调节。预充电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”总是预充电编程电流电平的一半。
一旦电池电压充电到VLOWV阈值,快速充电开始并施加快速充电电流。使用ISET引脚编程快速充电恒定电流。恒流提供大部分电荷。在快速充电和较低电池电压下,IC的功耗最大。如果IC达到125°C,则IC进入热调节,将计时器时钟降低一半,并根据需要降低充电电流,以防止温度进一步升高。图23显示了带热调节的充电曲线。通常在正常工作条件下,集成电路的结温低于125℃,不进行热调节。
一旦电池充电到调节电压,电压回路就开始控制,并将电池保持在调节电压,直到电流逐渐降低到终止阈值。如果需要,可以禁用终端。CHG引脚仅在第一个充电周期内为低电平(LED亮起),一旦达到终止阈值,则该引脚将熄灭,无论充电电流的终端是启用还是禁用。
更多细节在操作模式一节中提及。

详细功能描述
断电或欠压锁定(UVLO)
如果引脚内电压低于UVLO,则bq2404x系列处于断电模式。该部分被认为是“死”和所有的引脚是高阻抗。一旦输入电压高于UVLO阈值,IC将根据输出引脚(电池)电压进入休眠模式或激活模式。
通电
在输入电压高于UVLO(请参阅休眠模式)后,IC处于活动状态,重置所有逻辑和计时器,并开始执行许多连续监控例行程序。通常情况下,在输入端100MISG的情况下,输入端的电压会很快上升,从而使输入端的电压快速上升。见图24。
睡眠模式
如果IN引脚电压在VOUT+VDT和UVLO之间,充电电流被禁用,安全定时器计数停止(不复位),PG和CHG引脚阻抗高。当输入电压升高,充电器退出休眠模式时,PG引脚变低,安全定时器继续计数,充电被启用,CHG引脚返回到先前的状态。见图25。
新充电周期
当一个好的电源被应用,执行芯片禁用/启用(TS pin/BAT_EN),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,新的充电周期开始。CHG引脚只在第一次充电循环中处于低电平激活状态,因此,如果CHG引脚已经是高阻抗的,退出TTDM或低于VRCH的电压将不会打开CHG引脚FET。

过压保护(OVP)–连续监控
如果输入源施加过电压,则pass FET(如果先前开启)在除晶tBLK(OVP)后关闭。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,定时器继续工作,充电继续进行,CHG引脚在25ms除冰后变低。PG引脚在某些包装上是可选的。
电源良好指示(PG)
应用5V电源后,输入电压升高到UVLO和休眠阈值(VIN>VBAT+VDT),但低于OVP(VIN<VOVP),然后PG FET接通并提供低阻抗接地路径。请参见图5、图6和图18。
变更引脚指示
充电管脚有一个内部开路漏极场效应晶体管,它只在第一次充电时打开(拉低至VSS)(与TTDM无关),一旦电池达到电压调节,充电电流逐渐降低到由前期电阻器设置的终止阈值,便会关闭。
充电管脚在休眠模式和OVP(如果PG为高阻抗)下为高阻抗,并且在条件消除后恢复到以前的状态。
循环输入电源,将TS引脚拉低,释放或进入预充电模式,会导致CHG引脚复位(如果电源良好且连接了已放电的电池,则变为低电平),并被视为第一次充电的开始。
CHG和PG LED上拉电源
对于主机监控,在“状态”引脚和主机的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齐纳来钳制电压。如果电源是OUT引脚,请注意,随着电池电压的变化,LED的亮度也会变化。

自动启动(bq24041)
自动启动功能是一个具有两个输入的OR门;一个内部电源良好信号(当VIN>VBAT+VIN-DT时为逻辑1)和来自ASI引脚的外部输入(内部100k下拉)。ASO引脚输出可作为系统引导信号的信号。OR门由OUT引脚供电,OUT引脚必须由外部电源(电池或P/S)供电,或通过输入引脚供电,ASO引脚才能提供逻辑高电平。ASI和/或内部电源良好信号必须是逻辑高电平,ASO才是逻辑高电平。ASI/ASO、OUT和PG信号用于生产测试,以测试无电池系统。
IN-DPM(VIN-DPM或IN-DPM)
IN-DPM功能用于检测由于负载过大而向后折叠(电压下降)并达到其电流极限的输入电源电压。当输入电压降到VIN-DPM阈值时,内通场效应晶体管开始降低电流,直到输入电压不再下降。这将阻止电压低于VIN-DPM的电源为out引脚供电。4.4伏的额定电压和4伏以上的USB适配器的额定电压都是有限的。这是一个附加的安全特性,有助于保护电源不受过度负载的影响。
OUT
充电器的输出引脚为电池和系统(如果有)提供电流。该集成电路可用于给电池充电并为系统供电,仅对电池充电或仅为系统供电(TTDM),假设负载不超过可用电流。输出引脚是一个电流限制源,固有的保护,以防止短路。如果系统负载超过输出编程电流阈值,输出将被放电,除非有足够的电容或充电的电池来补充过多的负载。
ISET
外部电阻器用于编程输出电流(50至800mA),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系数。
为了在较低的电流下获得更高的精确度,部分感测场效应管被禁用以提供更好的分辨率。图19显示了从低电流到高电流的过渡。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电阻器受到短路保护,将检测到低于340Ω的电阻。检测需要至少80mA的输出电流。如果检测到“短路”,则IC将关闭,并且只能通过循环电源来重置。输出电流被限制在1.1A和1.35A之间的最大电流,并且独立于ISET短路检测电路,如图27所示。另外,请参见图13和图14。

预充电终端-预充电和终端可编程阈值,bq24040
Pre-Term用于编程预充电电流和终止电流阈值。预充电电流电平比终端电流电平高两倍。终端可以设置在ISET设定的编程输出电流电平的5%到50%之间。如果保持浮动,终止和预收费分别在内部设置为10/20%。预充电至快速充电,Vlowv阈值设置为2.5V。

其中:

%术语是终止时快速充电电流的百分比;
%Pre CHG是预充电期间所需的快速充电电流的百分比;
KTERM和KPRE-CHG是电气规范中的增益系数。
ISET2
是一个3态输入,对输入电流限制/调节阈值进行编程。低将通过ISET电阻器编程一个调节的快速充电电流,是任何ISET2设置的最大允许输入/输出电流,浮点将编程100mA电流限制,高将编程500mA电流限制。
以下是驱动3态ISET2引脚的两种配置:

TS(bq24040)
TS引脚的设计遵循新的JEITA温度标准的锂离子电池。现在有四个阈值,60°C、45°C、10°C和0°C。正常操作发生在10°C和45°C之间。如果在0°C和10°C之间,充电电流水平会降低一半,如果在45°C和60°C之间,则调节电压降低到4.1V最大值,见图26。TS功能是使用一个内部50μA电流源来偏置从TS引脚连接到VSS的热敏电阻(设计用于10k NTCβ=3370(塞米泰克103AT-2或三菱TH05-3H103F)。如果不需要此功能,可以在TS和VSS之间放置一个固定的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。
当TS引脚拉低或浮动/驱动高时,TS引脚有两个附加功能。低禁用充电(类似于电池上的高充电功能),高则使充电器进入TTDM。
高于60°C或低于0°C,充电停用。一旦热敏电阻达到-10°C,TS电流将折回,以防止冷热敏电阻(介于-10°C和-50°C之间)将IC置于TTDM模式。如果TS引脚被拉低到禁用模式,电流将降低到30μA,见图24。由于ITS电流与温度阈值是固定的,所以除了10k NTC(25°C时)外,不可能使用热敏电阻值。
终端和定时器禁用模式(TTDM)-TS引脚高
当移除热敏电阻(移除电池组/浮动TS引脚)或将TS引脚拉高至TTDM阈值时,电池充电器处于TTDM中。
当进入TTDM时,10小时安全计时器保持复位,终端被禁用。运行电池检测程序,查看电池是否已卸下。如果电池被拆下,则CHG引脚将进入高阻抗状态(如果还没有)。如果检测到电池,则在电流逐渐降低到终端阈值之前,CHG引脚不会改变状态,如果还没有,则CHG引脚将进入高阻抗状态(调节输出将保持开启)。
充电模式不变(仍有预充电、快速充电恒流和恒压模式)。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,电池检测程序将运行,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电阻来禁用TTDM。这样可以防止电流源将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,可编程为抵消任何系统负载,确保30分钟足够。
快速充电定时器固定在10小时,可以通过进入热调节、IN-DPM或如果在USB电流限制下实时增加。计时器时钟会以2倍的速度变慢,导致在这些模式下,时钟比计数快一半。如果30分钟或10小时计时器超时,充电终止,如果还没有处于该状态,则CHG引脚将变为高阻抗。定时器通过关闭IC、循环电源或进出TTDM来复位。
终止
一旦OUT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已满。如果有电池,充电电流将终止。如果电池与热敏电阻一起拆下,则TS引脚被驱动为高电平,电荷进入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,直到插入电池。
电池检测程序
电池检测程序应检查电池是否缺失,同时保持OUT引脚处于可用电压。每当电池丢失时,CHG引脚应为高阻抗。
电池检测程序在进入和退出TTDM时运行,以验证电池是否存在;如果电池缺失且不在TTDM中,则会一直运行。通电时,如果电池电压大于VRCH,则运行电池检测程序以确定是否存在电池。
当IC处于TTDM中或存在TS故障时,蓄电池检测程序被禁用。电池检测流程图见图28。
刷新阈值
终止后,如果OUT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引脚仍保持高阻抗(off)。
在充满电的情况下开始充电
在充电周期的第一分钟,终止阈值提高14%,因此,如果取出并重新插入一个完整的电池或启动新的充电周期,则新的充电将终止(少于1分钟)。松弛了许多小时的电池可能需要几分钟时间才能逐渐降低到终止阈值并终止充电。

bq24040充电器应用设计实例

要求
•电源电压=5 V
•快速充电电流:IOUT-FC=540 mA;ISET引脚2
•终端电流阈值:%IOUT-FC=快速充电的10%或~54mA
•预充电电流默认为终端电流的两倍或~108mA
•TS–电池温度感测=10k NTC(103AT)
计算
编程快速充电电流,ISET:
立管=[K(ISET)/I(输出)]
从电气特性表。K(设置)=540AΩ
提升管=[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1.0 kΩ电阻器。
编程终止电流阈值,ITERM:
RPRE-TERM=K(项)×IOUT-FC%
RPRE-终端=200Ω/%×10%=2kΩ
选择最接近的标准值,在ITERM(引脚15)和Vss之间使用2 kΩ电阻器。
使用20%作为预收费值(2倍差异系数)可以得到相同的值。
RPRE-TERM=K(预变更)×IOUT-FC%
RPRE-终端=100Ω/%×20%=2kΩ
TS功能(bq24040)
在电池组(103AT)中使用10k NTC热敏电阻。
要禁用温度感应功能,在TS(引脚1)和Vss之间使用一个固定的10k电阻器。
变更和PG
LED状态:在OUT引脚和CHG引脚之间连接一个带LED的1.5k电阻器。在OUT引脚和and PG引脚之间串联一个带LED的1.5k电阻器。
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。
输入和输出引脚电容器的选择
在大多数应用中,只需要在电源引脚、输入和输出引脚上安装一个高频去电容器(陶瓷)。建议使用应用程序关系图上显示的值。在用实际系统操作条件评估这些电压信号后,可以确定电容值是否可以调整到最小建议值(直流负载应用)或更高值,以用于快速高振幅脉冲负载应用。注:如果设计用于高输入电压源(不良适配器或错误适配器),则需要对电容器进行适当的额定值。陶瓷电容器的测试值为其额定值的2倍,因此16V电容器可能足以承受30V的瞬态电压(与电容器制造商核实测试的额定值)。
热包装
bq2405x系列采用热增强型MLP封装。该封装包括一个热垫,用于在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。本包装的完整PCB设计指南见标题为:QFN/SON PCB附件应用说明(SLUA271)。封装热性能最常见的测量方法是从芯片结到封装表面(环境)周围空气的热阻抗(θJA)。θJA的数学表达式为:

其中:
TJ=芯片结温度
T=环境温度
P=设备功耗
影响θJA测量和计算的因素包括:
1.设备是否安装在板上
2.迹线尺寸、成分、厚度和几何形状
3.设备方向(水平或垂直)
4.被测设备周围环境空气的体积和气流
5.其他表面是否靠近被测设备
由于锂离子电池的充电模式,最大功耗通常出现在充电周期开始时,电池电压处于最低水平。通常在快速充电开始后,电池组电压在前2分钟内增加到3.4伏。组件的热时间常数通常需要几分钟才能加热,因此在进行最大功耗计算时,3.4V是一个很好的最小电压。通过绘制IC下PCB底部的温度(焊盘应具有多个通孔)、充电电流和电池电压随时间变化的曲线,对系统和完全放电的电池进行验证。如果部件进入热调节,快速充电电流将开始逐渐减小。
器件的功耗P是内部功率场效应晶体管的电荷率和电压降的函数。当电池组充电时,可根据以下方程式计算:

热回路特性降低充电电流,以限制过高的IC结温度。建议在典型操作条件下(标称输入电压和标称环境温度)不进行热调节,并在热环境或高于正常输入电源电压的非典型情况下使用该功能。话虽如此,如果热回路始终处于活动状态,IC仍将按上述方式工作。
漏电流对电池容量的影响
要确定电池上的泄漏电流将以多快的速度使电池放电是一个简单的计算。从充满到放电的时间可以用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的泄漏被认为是负责任的。
布局提示
为了获得最佳性能,从IN到GND的去耦电容器(thermal pad)和从OUT到GND(thermal pad)的输出滤波电容器应尽可能靠近bq2405x,并对IN、OUT和GND(thermal pad)进行短跟踪。
•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。使用单点接地技术,包括小信号接地路径和电源接地路径。
•进入IN引脚和从OUT引脚引出的高电流充电路径的尺寸必须适合最大充电电流,以避免这些线路中的电压降。
•bq2405x系列采用热增强型MLP封装。该封装包括一个热垫,用于在IC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使用10密耳通孔,将热量传导至底部接地层。底部地面应避免“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毫米厚)的铜,是最佳热性能的一个很好的例子。


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