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基于bq3055的单芯片解决方案

2020-9-17 17:19:42  58 bq3055
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特征
•完全集成的2系列、3系列和4系列锂离子或锂聚合物电池组管理和保护
•提前补偿放电结束电压(CEDV)测量
•高压侧N-CH保护FET驱动
•集成单元平衡
•低功率模式
–低功率:<180微安
–睡眠<76微安
•全套可编程保护功能
–电压
–当前
–温度
•复杂的电荷算法
– JEITA
–增强充电
–自适应充电
•支持双线SMBus v1.1接口
•SHA-1认证
•紧凑型包装:30铅TSSOP
应用
•记本电脑和上网本
•医疗和测试设备
•便携式仪器
说明
bq3055设备是一个完全集成的、基于单芯片的解决方案,为2系列、3系列和4系列锂离子电池和锂聚合物电池组的气体测量、保护和认证提供了丰富的功能阵列。
bq3055设备使用其集成的高性能模拟外围设备,测量并保持锂离子或锂聚合物电池中可用容量、电压、电流、温度和其他关键参数的准确记录,并通过SMBus v1.1兼容接口将此信息报告给系统主控器。
bq3055提供基于软件的一级和二级过电压、欠电压、过热和过充电安全保护条件,以及基于硬件的放电过电流和充放电短路保护条件。
SHA-1身份验证具有用于身份验证密钥的安全内存,可以毫无疑问地识别真正的电池组。
紧凑型30铅TSSOP封装最大限度地降低了智能电池的解决方案成本和体积,同时为电池计量应用提供了最大的功能和安全性。

典型特征

参数测量信息
电池参数测量
充放电计数
bq3055使用积分delta-sigma模数转换器(ADC)进行电流测量,使用第二delta-sigma ADC进行单个电池和电池的电压和温度测量
积分delta-sigma ADC通过测量SR1和SR2引脚之间的一个小值感测电阻器上的电压降来测量电池的充放电流量。集成ADC测量从-0.25 V到0.25 V的双极信号。当VSR=V(SRP)–V(SRN)为正时,bq3055检测电荷活动,当VSR=V(SRP)–V(SRN)为负时,检测放电活动。bq3055使用一个内部计数器,随着时间的推移不断地集成信号。计数器的基本速率为0.65 nVh。
电压
bq3055以0.25秒的间隔更新单个串联单元电压。bq3055的内部ADC测量电压,并对其进行适当的刻度和校准。该数据还用于计算用于CEDV气体测量的电池阻抗。
电流
bq3055使用SRP和SRN输入,使用5-mΩ到20-mΩ类型测量和计算电池充放电电流。感应电阻。
自动校准
bq3055提供自动校准功能,以消除SRN和SRP之间的电压偏移误差,从而获得最大的电荷测量精度。bq3055在SMBus线路持续保持低电平至少5秒时执行自动校准。
温度
bq3055有一个内部温度传感器和两个外部温度传感器的输入。所有三个温度传感器选项均单独启用,并针对电池或场效应晶体管温度进行配置。提供了两个可配置的热敏电阻模型,以便除了FET温度(可能是更高温度类型)之外,还可以监测电池温度。
通信
bq3055使用SMBus v1.1,根据SBS规范提供主模式和数据包错误检查(PEC)选项。
SMBus打开和关闭状态
当SMBC和SMBD低达两秒或更多时,bq3055检测SMBus关闭状态。清除此状态要求SMBC或SMBD转换为高。通信总线将在1毫秒内恢复活动。
详细说明
概述
bq3055设备测量电压、温度和电流,以确定电池容量和充电状态(SOC)。bq3050通过感应SRP和SRN引脚之间的一个小电阻(5 mΩ到20 mΩ,典型值)上的电压并与电池串联来监测充放电活动。通过整合通过电池的电荷,电池的SOC在电池充电或放电期间进行调整。OCV和电荷积分的测量确定了化学SOC。
Qmax值取自电池制造商的数据表乘以并联电池的数量,也用于设计容量值。它使用OCV和Qmax值来确定电池插入、设备重置或命令打开时的charge()状态。FullChargeCapacity()报告为从完全充电到电压()达到EDV0阈值时可用的学习容量。当电压()低于关机时
电压对于关机时间,并且已至少在关机时间内退出关机模式,将设置PF Flags1()[VSHUT]位。更多细节见bq3055技术参考手册(SLU440)。
燃油计量是从补偿放电结束电压(CEDV)法出发,利用数学模型将剩余充电状态(RSOC)和接近放电结束状态的电压关联起来。这需要一个单点FCC更新的完整放电周期。该实现将电池电压(OCV)建模为电池SOC、温度和电流的函数。阻抗也是SOC和温度的函数,这可以通过使用七个参数来满足:EMF、C0、R0、T0、R1、TC和C1。
配置
振荡器功能
bq3055完全集成了系统振荡器,不需要任何外部组件来支持此功能。
系统现役运行
bq3055定期检查压力管脚(1s)。如果外部系统将压力输入拉至接地,则bq3055检测到系统存在。
2、3或4单元配置
在2单元配置中,VC1对VC2和VC3短路。在3单元配置中,VC1对VC2短路。
电池平衡
该装置通过在充电或静止时绕过每个电池的电流来支持电池平衡。如果使用设备的内部旁路,则最多可以旁路10毫安,同时可以旁路多个单元。使用外部单元平衡电路可以获得更高的单元平衡电流。在外部单元平衡模式下,一次只能平衡一个单元。
单元平衡算法确定需要绕过的电荷量,以平衡所有单元的容量。
内部单元平衡
配置内部单元平衡时,单元平衡电流由VCx输入处的外部电阻器RVC定义。见图4。

外部电池平衡
配置外部单元平衡时,单元平衡电流由RB定义。见图5。一次只能平衡一个单元。

功能框图

特征描述
主要(一级)安全特征
bq3055支持多种电池和系统保护功能,可以轻松配置。主要安全功能包括:
•电池过压和欠压保护
•充放电过电流
•短路
•充放电温度过高
•AFE看门狗
二级(二级)安全设施
bq3055的二次安全功能可用于通过保险丝引脚指示更严重的故障。该插脚可用于熔断串联保险丝,永久禁止电池组充电或放电。二次安全保护功能包括:
•安全过电压
•安全过电流充放电
•充放电安全超温
•充电场效应管、放电场效应管和预充电场效应管故障
•细胞失衡检测
•保险丝熔断二次电压保护IC
•AFE寄存器完整性故障(AFE_P)
•AFE通信故障(AFE_C)
充电控制特性
bq3055充电控制功能包括:
•支持JEITA温度范围。根据有效温度范围报告充电电压和充电电流
•处理更复杂的充电模式。允许将标准温度范围分成两个子范围,并允许根据电池电压改变充电电流
•使用SMBus广播向智能充电器报告恒流充电所需的适当充电电流和恒压充电所需的适当充电电压
•在充电过程中,使用基于电压的电池平衡算法,逐步减小电池组完全充电状态下电池的充电差异。可以设置电压阈值以使单元平衡处于活动状态。这可以防止充满电的电池过度充电并导致过度降解,还可以通过防止过早的充电终止来增加可用的电池组能量。
•支持预充电和零电压充电
•支持在电池组温度超出温度范围时禁止充电和暂停充电
•报告充电故障,并通过充电和放电报警指示充电状态
气体计量
bq3055使用CEDV算法来测量和计算电池中的可用容量。bq3055收集充电和放电电流的测量值,并根据电池的温度和充电状态对充电电流测量值进行补偿。bq3055估计电池的自放电,并根据温度调整自放电估计。详见bq3055技术参考手册(SLU440)。
寿命数据记录功能
bq3055为以下关键电池参数提供有限的寿命数据记录:
•寿命最高温度
•寿命最低温度
•寿命最大电池电压
•寿命最小电池电压
认证
•bq3055支持主机使用SHA-1进行身份验证。
•对于开封和完全进入,需要通过燃气表进行SHA-1认证。
设备功能模式
bq3055支持三种电源模式以降低功耗:
•在正常模式下,bq3055以0.25秒的间隔执行测量、计算、保护决策和数据更新。在这些间隔期间,bq3055处于功率降低阶段。
•在睡眠模式下,bq3055以可调整的时间间隔执行测量、计算、保护决策和数据更新。在这些间隔期间,bq3055处于功率降低阶段。bq3055具有唤醒功能,当检测到电流或故障时,可退出休眠模式
•在关机模式下,bq3055完全禁用。
应用与实现
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
bq3055燃气表是一种主要保护装置,可与2系列、3系列或4系列锂或锂聚合物电池组一起使用。为了实现和设计一组特定电池组的综合参数,用户需要bqEVSW工具,它是在开发过程中安装在PC上的图形用户界面工具。产品中安装的固件具有默认值,这些值在bq3055技术参考手册(SLU440)中总结。使用bqEVSW工具,一旦知道系统参数(例如用于保护的faulttrigger阈值、用于操作的启用或禁用特定功能、单元配置等),就可以更改这些默认值以满足开发过程中的特定应用程序需求。
典型应用
在典型应用中,bq3055通常与二级过电压保护装置配对,以提供独立的电压保护等级。图6显示了一个典型的应用程序。

设计要求
对于bq3055设计示例,使用表1中的参数作为输入参数。

详细设计程序
大电流路径
高电流路径从蓄电池组的蓄电池组正极端子开始。当充电电流通过电池组时,它会通过保护FET、化学保险丝、锂离子电池和电池连接以及感测电阻器,然后返回到电池组端子。此外,一些组件被放置在PACK+和PACK-端子上,以减少静电放电的影响。
保护FET
必须为给定应用选择N通道充放电FET(图7)。大多数便携式电池的应用是一个很好的匹配CSD17308Q3。TI CSD17308Q3是一种47A-A,30-V器件,当栅极驱动电压为10v时,Rds(开)为8.2mΩ。
如果使用预充电场效应管,则计算R28以将预充电电流限制在所需速率。一定要考虑串联电阻器的功耗。预充电电流限制在(Vcharger–Vbat)/R28,最大功耗为(Vcharger–Vbat)2/R28。
所有保护FET的栅极通过栅极和源极之间的高值电阻被拉到源极,以确保栅极驱动打开时它们被关闭。
电容器C16和C17有助于在ESD事件期间保护FET。如果其中一个短路,使用两个设备可确保正常工作。为了有良好的静电放电保护,电容器引线的铜跟踪电感必须设计得尽可能短和宽。确保C16和C17的额定电压足以在其中一个电容器短路时保持外加电压。

化学熔丝
化学保险丝(Sony chemical、Uchihashi等)由bq294705二次电压保护IC或燃气表的保险丝引脚控制点火。任何一个事件都会给Q1的栅极施加一个正电压,如图8所示,然后Q1从保险丝的第三个端子接收电流,导致它点燃并永久打开。
务必仔细检查保险丝规格,并将所需点火电流与N通道FET提供的点火电流相匹配。确保此设备使用正确的电压、电流和Rds(开)额定值。在引信电路中详细讨论了引信控制电路。

锂离子电池连接
关于电池连接,需要记住的重要一点是,高电流流经顶部和底部连接;因此,这些点的电压感应引线必须采用开尔文连接,以避免由于高电流铜痕下降而产生任何错误。图9中标记为4P的位置表示蓄电池正极节点的开尔文连接。标记为1N的连接同样重要。VC5管脚(电池电压测量的接地参考)不在bq3055设备中,它在旧一代设备中。因此,需要在1N处与低电流接地进行单点连接,以避免在气体压力计测量底部电池电压时通过长记录道出现不期望的电压降。

感测电阻器
与单元连接一样,感测电阻处开尔文连接的质量至关重要。感测电阻器的温度系数必须不大于75ppm,以减小电流测量随温度的漂移(图10)。选择感应电阻的值,以对应于bq3055的可用过电流和短路范围。选择可能的最小值,以最小化短路期间在bq3055 VSS节点上产生的负电压。该引脚的绝对最小值为-0.3 V。对于带有两个平行圆柱形电池的电池组,通常理想值为10 mΩ。只要能保证良好的开尔文感应,就可以使用并联电阻。
bq3055的接地方案不同于老一代设备。在以前的设备中,设备接地(或低电流接地)连接到Rsense电阻板的SRN侧。然而,bq3055连接Rsense电阻板SRP侧的低电流接地,靠近蓄电池1N端子(请参阅锂离子电池连接)。这是因为与以前的设备相比,bq3055的VC引脚(接地参考引脚VC5)少了一个。销钉被移除,并在内部与SRP结合。

ESD缓解
将一对0.1μF系列陶瓷电容器放置在PACK+和PACK-端子上,以帮助减轻外部静电放电。如果其中一个电容器短路,两个串联装置可确保电池组继续运行。
可选地,可以将tranzorb(例如SMBJ2A)放置在终端上,以进一步提高ESD抗扰度。
燃气表电路
燃气表电路包括bq3055及其外围部件。这些组件分为以下几组:差分低通滤波器、电源去/RBI、系统存在、SMBus通信、保险丝电路和LED
差动低通滤波器
如图11所示,差分过滤器必须在气体压力表的电流感应输入之前。该滤波器消除了不需要的数字噪声的影响,这些噪声会导致测量电流的偏移。即使是最好的差分放大器在高频下也有较少的共模抑制。在没有滤波器的情况下,放大器输入级可以校正强RF信号,然后可能出现DC偏移误差。
由于电容器C15分流C12/C13,减少了由元件失配引起的交流共模,所以元件的5%公差足够。它还被证明通过保持μa的对称放置模式和为差分滤波器网络添加接地屏蔽来减少偏移和噪声误差。

电源去耦和RBI
电源解耦是bq3055先进燃气表优化运行的重要环节。如图12所示,从REG33到VSS和REG25到VSS的单个1-μF陶瓷去耦电容器必须放置在IC引脚附近。
RBI引脚用于在短暂的瞬态断电期间提供备用RAM电压。部分复位机制利用RAM在临时断电后恢复关键CPU寄存器。一个标准的0.1-μF陶瓷电容器从RBI引脚接地,如图12所示。

系统存在
系统显示信号用于通知燃气表组件是安装在系统中还是从系统中卸下。在主机系统中,此引脚接地。bq3055的压力管脚偶尔取样测试系统是否存在。为了节省电能,气体计在每秒一次4μs的采样脉冲期间提供一个内部上拉电阻器。
由于系统当前信号是与外部世界连接的组件接口的一部分,因此必须保护它不受外部静电放电事件的影响。压力装置引脚上的集成ESD保护将8-kV ESD触点额定值的外部保护要求降低到只有R25(图13)。但是,如果系统存在信号可能对PACK+短路,则必须包括R18和D3以进行高压保护。

SMBus通信
与系统现有引脚类似,SMBus时钟和数据引脚集成了高压ESD保护电路,减少了对外部齐纳二极管保护的需求。当使用图14所示的电路时,通信线路可承受8-kV(接触)ESD冲击。选择的C23和C24具有100 pF值,以满足SMBus规范。如果需要使用更大的输入电阻和/或齐纳二极管提供更高的保护,请仔细研究最坏通信条件下SMBus信号的信号质量。
SMbus时钟和数据线具有内部下拉列表。当燃气表检测到两条线都很低时(例如在卸下电池组的过程中),设备会执行自动偏移校准,然后进入休眠模式以节省电源。

保险丝电路
bq3055的保险丝销设计用于在违反各种安全标准之一时点燃化学保险丝(图15)。保险丝引脚还监测二次电压保护IC的状态。当Q3的栅极很高时,它会点燃化学引信。bq29705的7-V输出除以R13和R14,这为Q1提供了足够的栅极驱动,同时在保险丝信号高的情况下防止过多的反向电流进入bq29705。
使用C14通常是一个很好的实践,特别是对于RFI免疫来说。如果需要,可以移除C14,因为化学熔丝是一个相对较慢的设备,并且不受电池连接过程中安全输出可能产生的任何亚微秒故障的影响。

当bq3055被指令点燃化学保险丝时,保险丝引脚激活,以提供典型的8伏输出。新的设计使得在第一季度使用更高的Vgs场效应管成为可能。这提高了系统的稳健性,也拓宽了第一季度的选择范围。
PFIN检测
如前所述,保险丝插脚在此设备上具有双重作用。当bq3055未被命令点燃化学保险丝时,保险丝引脚默认感应二次电压保护器的输出引脚状态。当二次电压保护器点燃化学熔丝时,熔丝引脚感应到高压,bq3055相应地设置PFIN标志。
二次电流保护
bq3055提供二次过电流和短路保护、单元平衡、单元电压复用和电压转换。以下部分检查电池和电池输入、电池组和场效应管控制、调节器输出、温度输出和电池平衡。
电池和电池输入
每个单元输入都用一个简单的RC滤波器进行调节,该滤波器在单元连接期间提供ESD保护,并用于过滤不需要的电压瞬变。电阻值允许在电池平衡和安全保护之间进行权衡。
bq3055中的内部单元平衡FET通常提供约310Ω(单元电压≥2V时为310Ω。单元平衡FET Rds on在单元电压≥4V时降低至125Ω),可用于旁路单个单元中的充电电流,这些单元相对于其他单元可能会过充(图16)。该旁路路径的目的是在充电期间减少进入任何一个电池的电流,使串联元件达到相同的电压。置于输入引脚和正串联元件节点之间的串联电阻器控制旁路电流值。bq3055装置的设计可承受高达10毫安的电池平衡电流。建议使用100Ω至1kΩ之间的串联输入电阻器进行有效的单元平衡。
BAT输入使用二极管(D1)和1-μF陶瓷电容器(C9)在短路事件导致电压瞬间下降的情况下将其与电池隔离和断开。
此外,如前所述,在高电流路径中,电池的顶部和底部节点必须在电池连接处用开尔文连接进行感应,以防止由高电流PCB铜线下降引起的电压感应错误。

外部电池平衡
内部电池平衡最多只能支持10毫安。外部单元平衡为更快的单元平衡提供了另一种选择。有关详细信息,请参阅应用说明,使用外部MOSFET(SLUA420)的快速单元平衡。
封装和场效应管控制
电池组和VCC输入从充电器向bq305x供电。电池组输入还提供了一种测量和检测充电器存在的方法。组件输入使用一个10-KΩ电阻,而VCC输入使用一个二极管来防止输入瞬变,并防止数据驱动器在短路事件期间出现故障(图17)。
N通道充放电fet由5.1-KΩ系列栅电阻控制,开关时间常数为几微秒。3.01-MΩ电阻器确保在FET驱动器断开连接的情况下,FET关闭。Q4用于在充电器反向连接的情况下保护放电FET(Q3)。如果没有Q4,Q3可以被驱动到它的线性区域,并且如果PACK+输入变得稍微为负,它会受到严重的损害。
在这种情况下,Q4会打开,以通过短路门到源来保护Q3。要使用简单的接地栅极电路,场效应晶体管必须具有低的栅极导通阈值。如果希望使用更标准的器件,如2N7000作为参考原理图,则应使用高值电阻将栅极偏置至3.3V。bq3055器件使用由GPOD控制的外部P沟道预充电FET。当选择外部负载电阻时,用户应考虑最大充电器电压和内部预充电FET的Rdson。

调节器输出
如电源去耦和RBI中所述,bq3055中的两个低压差调节器需要对输出进行电容补偿。输出必须有一个1μF陶瓷电容器放置在靠近集成电路的地方端子引脚。
温度输出
对于bq3055装置,TS1和TS2在程序控制下提供热敏电阻驱动(图18)。每个引脚都可以使用集成的18-kΩ(典型)线性化上拉电阻器,以支持在25°C(103)NTC外部热敏电阻(如三菱BN35-3H103)下使用10-kΩ。参考设计包括两个10 kΩ热敏电阻:RT1和RT2。

二次过电压保护
bq29705提供二次过电压保护,并在任何电池超过内部参考阈值时命令化学保险丝点火。外围部件是单元输入和延时电容器。
单元输入
为每个单元输入提供输入滤波器。这包括电阻器R5、R6、R7和R9以及电容器C5、C6、C7和C8(图19)。该输入网络完全独立于用作bq3055输入的滤波器网络。为了确保独立的安全功能,这两个设备必须有单独的输入过滤器。
由于滤波电容器是差分实现的,所以在每种情况下都可以使用低压装置。

延时电容器
C10设置任何单元超过阈值电压后激活输出的时间延迟。时间延迟计算为:td=1.2v×DelayCap(μF)/0.18μA。
应用曲线

系统示例

电源建议
电源解耦对bq3055煤气表的优化运行具有重要意义。从REG33到VSS和REG25到VSS的单个1.0μF陶瓷去耦电容器必须放置在集成电路附近(IC)销。
RBI引脚用于在短暂的瞬态断电期间提供备用RAM电压。部分复位机制利用RAM在临时断电后恢复关键CPU寄存器。一个标准的0.1μF陶瓷电容器从RBI引脚接地。
布局
布局指南
bq3055的主要布局问题与库仑计数器测量有关。应仔细考虑SRP和SRN引脚周围的外部组件和PCB布局。
布局示例
如图24所示,差分过滤器必须在气体压力表的电流感应输入之前。该滤波器消除了不需要的数字噪声的影响,这些噪声会导致测量电流的偏移。即使是最好的差分放大器在高频下也有较少的共模抑制。在没有滤波器的情况下,放大器输入级可以校正强RF信号,然后可能出现DC偏移误差。
元件的5%公差足够,因为电容器C15分流C12和C13,并减少由元件失配引起的交流共模。务必将C15尽可能靠近气体表销。其他组件也必须相对靠近集成电路。C12和C13的接地连接必须靠近IC。此外,还证明了通过保持对称的布局模式和为差分滤波器网络增加接地屏蔽,可以减小偏移和噪声误差。

包装材料信息



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