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BQ25010/BQ25011/BQ25012的DC/DC变换器集成电路

2020-9-22 16:48:11  173 集成电路
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特点
•Li-Ion或Li-Pol费用管理和单片同步DC-DC功率变换器为蓝牙供电而优化™ 耳机和配件
•通过交流适配器或具有自主电源选择的USB为系统充电和供电
•集成USB充电控制
•可选100毫安和500毫安充电率
•集成功率场效应管和电流传感器
•高达500毫安的充电应用和
•带集成FET的100毫安DC-DC控制器
•反向漏电保护防止电池放电
•高功率自动节电模式
频率敏感应用中的低电流或强制脉宽调制效率
•3.5毫米×4.5毫米QFN封装
应用
•蓝牙™ 耳机
•蓝牙™ 配件
•低功耗手持设备
说明
bq2501x系列是针对空间有限的蓝牙应用的高度集成的充电和电源管理设备。bq2501x系列提供集成功率场效应管和电流传感器,用于充电控制、反向闭锁保护、高精度电流和电压调节、充电状态、充电端接,以及一个小型高效低功耗dc-dc转换器。
bq2501x电池充电分为三个阶段:调节、恒流和恒压。根据最小电流终止充电。内部充电计时器为充电终止提供备用安全功能。如果电池电压低于内部阈值,bq2501x会自动重新开始充电。当VCC电源断开时,bq2501x自动进入休眠模式
集成低功耗高效率dc-dc变换器设计为直接从单电池锂离子或锂极化电池组中工作。输出电压可从0.7 V调整到VBAT(bq25010),固定在3.3 V(bq25011),或固定在1.8 V(bq25012),并能提供高达150毫安的负载电流。dc-dc转换器在同步1兆赫开关频率允许使用小感应器

请注意,关于德州仪器半导体产品的可用性、标准保证和在关键应用中的使用以及免责声明的重要通知出现在本数据表的末尾。
典型运行特性

功能框图

功能描述
电池充电器
bq2501x支持适用于单电池组的精密锂离子或锂极化充电系统,以及用于向系统处理器供电的低功率DC-DC转换器。典型电荷分布、应用电路和操作流程图分别见图3至图5。

自主电源选择
默认情况下,bq2501x试图通过交流输入为电池充电。如果交流输入不存在,则选择USB输入。如果两个输入都可用,则交流适配器具有优先权。详见图6。

蓄电池预调节
在充电周期中,如果电池电压低于V(低电压)阈值,bq2501x会向电池施加预充电电流IO(预汞柱)。这一特性使深放电的细胞复活。ISET1和VSS引脚之间连接的电阻器RSET决定预充电率。V(PRECHG)和K(SET)参数在规格表中指定。

bq2501x在调节阶段启动安全定时器t(PRECHG)。如果在定时器周期内未达到V(低V)阈值,则bq2501x关闭充电器,并在STAT1和STAT2引脚上发出故障信号。有关更多详细信息,请参阅计时器故障恢复部分。
电池充电电流
bq2501x提供带可编程设定值的片内电流调节。ISET1和VSS引脚之间连接的电阻器RSET决定了充电率。V(SET)和K(SET)参数在规格表中指定。

从USB端口充电时,主机控制器可以使用ISET2引脚选择100毫安或500毫安的充电率。低电平信号将电流设置为100毫安,高电平信号将电流设置为500毫安。高Z输入禁用USB充电。
蓄电池电压调节
电压调节反馈通过BAT/OUT引脚。此输入直接连接到电池组的正极。bq2501x监控BAT/OUT和VSS引脚之间的电池组电压。当电池电压上升到VO(REG)阈值时,电压调节阶段开始,充电电流开始逐渐减小。
作为安全备份,bq2501x还监视充电模式下的充电时间。如果在此时间段t(CHG)内未检测到锥度阈值,则bq2501x关闭充电器并在STAT1和STAT2引脚上宣布故障。有关更多详细信息,请参阅“计时器故障恢复”部分。
充电锥度检测、终止和充电
bq2501x在电压调节阶段监测充电电流。一旦达到锥度阈值,I(锥形),检测到bq2501x启动锥形定时器t(TAPER)。计时器过期后充电终止。连接在ISET1和VSS引脚之间的电阻RSET决定了锥形检测电平。这个规格表中规定了V(锥度)和K(设置)参数。请注意,这适用于交流和USB充电。

如果充电电流返回到锥形阈值以上,bq2501x复位锥形定时器,I(TAPER)。
除了锥形电流检测之外,bq2501x在充电电流低于I(项)阈值时终止充电。此功能允许快速识别电池取出情况或插入充满电的电池。请注意,锥形计时器未激活。ISET1和VSS引脚之间连接的电阻RSET决定了锥形检测电平。V(项)和K(集)参数在规格表中指定。请注意,这适用于交流和USB充电。

充电终止后,一旦BAT/OUT引脚上的电压低于V(RCH)阈值,bq2501x将重新开始充电。此功能使电池始终保持满容量。
充电器睡眠模式
如果AC和USB都从电路中移除,bq2501x将进入低功耗休眠模式。此功能可防止在没有VCC的情况下耗尽电池电量。
操作模式
表1总结了bq2501x的工作模式。当充电器处于预充电模式时,不建议使用DC-DC。

状态输出
STAT1和STAT2开漏输出指示各种充电器和电池状态,如表2所示。这些状态管脚可用于与主机处理器通信。注意,关闭表示开路漏极晶体管已关闭。

PG输出(功率良好)
开漏PG输出指示AC适配器何时存在。当检测到有效电压时,输出开启。此输出在睡眠模式下关闭。PG引脚可用于驱动LED或与主机处理器通信。
CE输入(充电启用)
CE数字输入用于启用或禁用充电过程。此引脚上的低电平信号启用充电,而高电平信号禁用充电并将设备置于低功率模式。此引脚上的高-低转换也会重置所有定时器和定时器故障条件。请注意,这适用于交流和USB充电。
热停堆及保护
bq2501x监控模具的连接温度TJ,如果TJ超过T(SHTDWN),则暂停充电。当TJ低于T(SHTDWN)约15°C时,充电恢复。
定时器故障恢复
如图5所示,bq2501x提供了一种处理计时器故障情况的恢复方法。下面总结了这种方法:
条件1:充电电压高于充电阈值(V(RCH))并且发生超时故障。
恢复方法:bq2501x等待电池电压降至充电阈值以下。这可能是由于蓄电池负载、自放电或蓄电池拆卸造成的。一旦电池低于充电阈值,bq2501x将清除故障并开始新的充电循环。POR或CE开关也可以清除故障。
条件2:充电电压低于充电阈值(V(RCH))并且发生超时故障。
恢复方法:在这种情况下,bq2501x应用I(故障)电流。此小电流用于检测蓄电池的拆卸情况,并在蓄电池电压保持在充电阈值以下时保持接通。如果电池电压高于充电阈值,则bq2501x禁用I(故障)电流并执行条件1所述的恢复方法。一旦电池低于充电阈值,bq2501x将清除故障并开始新的充电循环。POR或CE开关也可以清除故障。
DC-DC变换器
bq2501x提供低静态电流同步DC-DC转换器。内部补偿转换器设计用于在单电池锂离子或锂极化电池的整个电压范围内工作。在额定负载电流下,该装置以通常为1兆赫的固定脉宽调制开关频率工作。在轻载电流下,装置进入省电运行模式;开关频率降低,转换器从BAT/OUT引脚引出的静态电流通常只有15μA。
在PWM操作期间,转换器使用独特的快速响应电压模式控制器方案,输入电压前馈,以实现良好的线路和负载调节,允许使用小型陶瓷输入和输出电容器。在由时钟信号启动的每个时钟周期开始时,P沟道MOSFET开关打开,电感电流上升,直到比较器跳闸,控制逻辑关闭开关。如果超过P通道开关的电流限制,电流限制比较器也会关闭开关。在N-cannel MOSFET整流电路中防止电流射出的死区时间打开后,电感电流下降。下一个循环由时钟信号启动,再次关闭N通道整流器并打开P通道开关。gM放大器和输入电压决定了锯齿波发生器的上升时间,因此输入电压或输出电压的任何变化都直接控制了变换器的占空比,从而提供了非常好的线路和负载瞬态调节。
省电模式操作
随着负载电流的减小,变频器进入节电模式运行。在省电模式下,变换器在PFM模式下以较低的开关频率工作,并以最小的静态电流保持高效率。
两个条件允许转换器进入省电模式操作。一是不连续传导模式的检测。另一种是当P通道开关中的峰值开关电流低于跳过电流限制时。典型的跳跃电流限值可计算为:

在省电模式中,输出电压由比较器通过阈值comp low和comp high进行监控。当输出电压低于comp低阈值(通常设置为高于VOUT标称值0.8%)时,P通道开关打开。当达到峰值开关电流时,P通道开关关闭。典型的峰值开关电流可计算为:

N通道整流器打开,电感电流下降。当电感电流接近零时,N通道整流器关闭,P通道开关打开,开始下一个脉冲。转换器继续这些脉冲,直到达到comp高阈值(通常设置为高于VOUT标称值1.6%)。转换器进入休眠模式,将静态电流降至最小。当输出电压再次低于comp低阈值时,转换器再次唤醒。该控制方法将静态电流降低到15μA,开关频率降低到最小,从而获得较高的变换器效率。在轻载电流下,将跳跃电流阈值设置为通常比额定输出电压高0.8%和1.6%,会导致动态输出电压在重载瞬态变化期间获得较低的绝对电压降。这使得变换器在只有10μF的小输出电容的情况下工作,并且在大负载瞬态变化期间仍然具有低的绝对电压降。关于省电模式的详细操作,请参见图7。

一旦输出电压降到comp low 2阈值以下,转换器就会再次进入固定频率的PWM模式。
动态电压定位
如节电模式操作部分所述,如图7所示,当装置处于节电模式时,输出电压通常比轻载电流下的标称输出电压高0.8%。这为从轻载到满载的负载瞬态期间的电压降提供了额外的空间。在从满负载到轻负载的负载瞬态过程中,由于N通道整流器开关的主动调节开启,电压超调也最小化。
软起动
bq2501x有一个内部软启动电路,在启动期间限制浪涌电流。该软启动被实现为数字电路,以典型的30毫安、60毫安、120毫安的步骤增加开关电流,然后典型的开关电流限制为230毫安。因此,启动时间主要取决于输出电容和负载电流。使用10μF输出电容器和100毫安负载电流的典型启动时间为1.6毫秒。
100%占空比低压差运行
bq2501x在使用100%占空比模式保持运行的同时,提供低输入输出电压差。在此模式下,P-通道开关持续打开。这在电池供电的应用中特别有用,通过充分利用整个电池电压范围来实现最长的工作时间。维持调节的最小输入电压取决于负载电流和输出电压,可计算为:

式中:IOUT(max)=最大输出电流加指示纹波电流;
RDS(on)MAX=最大P通道开关RDS(on);
RL=电感器的直流电阻;
VOUT(max)=标称输出电压加上最大输出电压公差。
启用
将使能引脚(EN)拉低会迫使DC-DC转换器进入关机模式,关机静态电流通常为0.1μa。在此模式下,P通道开关和N通道整流器关闭,内部电阻反馈分配器断开,转换器进入关机模式。如果在停机期间存在输出电压(可能是外部电压源或超级电容器),则在电气特性下指定反向泄漏电流。为了正确操作,EN销必须端接,且不应保持浮动。
如前所述,用软启动启动启动DC-DC转换器。
欠压闭锁
欠压锁定电路防止转换器在低输入电压或未定义的条件下打开开关或整流器MOSFET。
强制脉宽调制模式
FPWM输入引脚允许主机系统通过驱动FPWM引脚高来覆盖省电模式。在此状态下,无论负载情况如何,DC-DC转换器都保持在连续电流传导的PWM工作模式。如前所述,将FPWM引脚拉低允许设备自动进入省电模式。
应用程序信息
可调输出电压版本(bq25010)
当使用可调输出电压版本的bq2501x(bq25010)时,输出由外部电阻分压器设置,如图4所示。
输出电压可计算为:

式中:R1+R2≤1 MΩ,内部参考电压VREF(典型值)=0.5 V。
C1和C2应选择为:

式中:R1=分压器上电阻;C1=分压器上电容;对于C1,应选择最接近计算结果的值。

式中:R2=分压器的下电阻器;C2=分压器下电容。
对于C2,选择的电容值应始终大于计算结果。例如,在图4中,选择100 pF电容器作为C2=86.17 pF的计算结果。
如果静态电流不是关键设计参数,则可以省略C1和C2,并且必须在R1+R2<100 kΩ时使用低阻抗反馈分压器。这种设计也降低了反馈引脚(FB)上的噪声,但增加了工作期间的整体静态电流。
固定输出电压版本(bq25011、bq25012)
当使用固定输出电压版本的设备时,不需要外部电阻分压器网络。在这种情况下,感应器的输出应该直接连接到FB引脚,如图4所示。
输入电容器选择
在大多数应用中,只需要一个高频去电容器。一个0.1μF的陶瓷,放置在AC/USB和VSS引脚附近,工作正常。bq2501x设计用于调节和非调节外部直流电源。如果选择非稳压电源,则电源单元应具有足够的电容,以在最大负载下将电源电压保持在所需的最小输入电压。否则,必须在充电器的输入端增加更多的电容。
充电器输出电容器(DC-DC变换器输入电容器)选择
由于buck变换器具有脉冲输入电流,因此需要一个低ESR输入电容。这将产生最佳的输入电压滤波,并将由高输入电压峰值引起的与其他电路的干扰降至最低。此外,输入电容器必须足够大,以便在重载瞬态期间稳定输入电压。
对于良好的输入电压滤波,4.7μF的输入电容通常是足够的,并且可以在没有任何限制的情况下增加,以获得更好的输入电压滤波。
如果使用陶瓷输出电容器,电容器均方根纹波电流额定值确保应用要求。为完整起见,均方根纹波电流计算如下:

最坏情况下的均方根纹波电流出现在D=0.5,计算如下:

陶瓷电容器由于ESR值较低而表现良好,与钽电容器相比,它们对电压瞬变和尖峰不太敏感。输入电容器应尽可能靠近设备的BAT/OUT引脚,以获得最佳性能。有关推荐的部件,请参阅表1。
DC-DC变换器输出电容的选择
先进的快速响应电压模式控制方案的bq2501x允许使用微型陶瓷电容器,而没有大的输出电压下和超调在重负荷瞬态。具有低ESR值的陶瓷电容器具有最低的输出电压纹波,因此推荐使用。如有需要,也可使用钽电容器(推荐部件见表1)。如果使用陶瓷输出电容器,电容器的均方根纹波电流额定值始终满足应用要求。为完整起见,均方根纹波电流计算如下:

在额定负载电流下,装置以PWM模式运行,总输出电压纹波是输出电容ESR引起的电压尖峰加上输出电容充放电引起的电压纹波之和:

其中输出电压纹波发生在最高输入电压VIN处。
在轻载电流下,器件以节电模式工作,输出电压纹波与输出电容值无关。输出电压纹波由内部比较器阈值设置。典型的输出电压纹波是输出电压VOUT的1%。
DC-DC变换器输出电感的选择
为了提高效率,电感器应具有低直流电阻,以尽量减少传导损耗。虽然电感磁芯材料对效率的影响小于其直流电阻,但必须使用合适的电感磁芯材料。电感值决定电感纹波电流。电感值越大,电感纹波电流越小,变换器的导通损耗越低。另一方面,电感值越大,负载瞬态响应越慢。通常电感纹波电流,如下所计算,应该是平均输出电流的30%左右。
为了避免电感器饱和,电感器的额定值应至少为转换器的最大输出电流加上电感器纹波电流,计算如下:

式中:f=开关频率(典型为1 MHz,最小为650 kHz);L=电感值;ΔIL=电感纹波电流峰-峰;IL(max)=最大电感电流。
最高的电感电流出现在最大的车辆识别号。一个更保守的方法是选择电感器额定电流仅为最大开关电流350毫安。内部补偿器的设计使得输出电感和电容的最佳谐振频率约为16khz。表3给出了各种输出电流的推荐电感和电容值。

负载充电
bq2501x的设计使得在设备对电池进行主动充电的同时暂停正常操作,可以获得最大的充电安全性和效率。在此操作模式下,超时功能可防止有缺陷的电池无限期充电。如果充电不能在5小时内正常终止,装置将在STAT1和STAT2引脚上显示故障状态,如表2所示。
如果在设备为电池充电时对其施加负载,则可能会由于对电池施加的充电速率变慢而导致错误的故障状况。因此,建议在为电池充电时将负载从bq2501x断开。
热因素
bq2501x封装在热增强MLP封装中。该封装包括热垫,以在设备和印刷电路板(PCB)之间提供有效的热接触。应用说明QFN/SON PCB附件(SLUA271)中提供了该封装的完整PCB设计指南。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=芯片结温度;TA=环境温度;P=设备功耗。
对θJA的测量和计算有较大影响的因素有:
•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
器件功耗(P)是电荷率和内部功率场效应管压降的函数。可由下列方程式计算:

由于锂xx电池的充电特性,当电池电压处于最低值时,最大功耗通常出现在充电周期开始时。
PCB布局注意事项
对于所有的开关电源,版图设计是设计中的一个重要步骤,特别是在高峰值电流和开关频率下。如果布局不仔细,调节器可能会出现稳定性问题和电磁干扰问题。考虑到这一点,我们应该为主要电流路径使用宽而短的轨迹来布置PCB。输入电容器、电感和输出电容器应尽可能靠近集成电路引脚。
反馈电阻网络(bq25010)必须远离电感和开关节点,以最小化噪声和磁干扰。为了进一步减少耦合到反馈网络和反馈管脚的噪声,必须使用接地平面或接地轨迹进行屏蔽。这一点变得很重要,尤其是在高开关频率下。
以下是应遵守的一些附加准则:
•为了获得最佳性能,从AC到VSS(以及从USB到VSS)的去耦电容器和从BAT/OUT到VSS的输出滤波器电容器应尽可能靠近bq2501x,并对信号和VSS管脚进行短跟踪。
•所有低电流VSS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。
•BAT/OUT引脚为IC提供充电功能的电压反馈,并应尽可能靠近电池组连接其跟踪。
•进入AC和USB以及来自BAT/OUT和SW引脚的大电流充电路径必须适合最大充电或输出电流,以避免这些记录道中的电压下降。
•bq2501x封装在热增强MLP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。应用说明QFN/SON PCB附件(SLUA271)中提供了该封装的完整PCB设计指南。
包装材料信息


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