用于高端手持设备的低成本充电管理芯片BQ24070应用设计

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  BQ24070是TI(德州仪器公司)基于BQTINY III产品衍生出来的低成本单节锂电池线性充电管理芯片,支持USB和交流适配器充电模式,符合预充-恒流-恒压-涓充的充电过程;它具有DPPM(动态功率路径管理功能),因此支持深度放电电池充电(插入交流适配器后不需要等待即可正常开机)和使用小功率交流适配器充电的应用,自动功率补偿、调整充电电流和系统电流分配关系,最大程度保证系统的正常工作;具有电池温度检测功能,在电池处于过冷或者过热的环境中充电时保护电池,避免损坏;支持高达1.5A充电电流,具有充电时间设置功能,避免电池长时间充电而损坏。BQ24070是20引脚3.5mm x 4.5mm QFN,小巧紧凑的封装形式节省PCB板空间。

适用范围:个人媒体播放器,多媒体手机,游戏机,PDA和其他手持设备。


图1 DPPM功能简图

功能设计

DPPM功能

  动态功率路径管理(DPPM)是指当交流适配器或者USB电源提供的电流不足以满足电池充电和系统供电时,BQ24070的DPPM单元将进行下面两个操作:
1) 当Vout引脚电压降到1.15×VDPPM时(VDPPM即在RDPPM电阻上的电压),BQ24070就会降低电池充电电流,阻止交流适配器或者USB电源电压的下降,将电源中的更多电流分配给系统—称为浅度DPPM模式。
2) 如果降低充电电流、甚至将所有充电电流都分配给系统,依然不能满足系统电流需求时,使得Vout电压继续下降,当Vout电压跌到预先设定电压值时,BQ24070就会从电池中自动抽取部分电流补充给系统,即Q2导通,Q2的最大电流通流量为4A—称为深度DPPM模式。

DPPM工作原理

  通过设置DPPM引脚对地的电阻阻值即可完成,当系统电流与充电电流之和大于交流适配器或者USB电源最大输出电流时必然会引起交流适配器或者USB电源电压的跌落(当电源过载时,电源会进入限流模式,即电流会恒定到某一数值,但是电压会逐渐下降),于是BQ24070的DPPM单元会检测OUT引脚的电压,当Vout电压等于VDPPM设定值时,DPPM单元开始工作。

DPPM设置准则

  通常设置一个正确的DPPM值是需要遵循如下要求:
1) VDPPM=系统最低工作电压值+0.5V,假如系统可以允许的最低工作电压为3.3V,那么最低的电压设置至少应在3.8V以上。
2) RDPPM值需在27K~36K±1%范围。

  RDPPM 计算公式:

  RDPPM = VDPPM/ (IDPPM×SF)
其中VDPPM为预设值,例如3.8V
IDPPM=100mA
SF=1.15

DPPM其他功能(可用于单独关断充电管理单元操作)

  当交流适配器或者USB电源在位时,通过将DPPM引脚悬浮,可以达到单独关断充电管理单元的目的,不影响其他单元工作,交流适配器依然向系统供电,但是在此模式下DPPM功能被关断,所以如果适配器电流不足以供给系统,需要从电池中抽取电流补充到系统中时,电池向系统供电的阈值取决于OUT引脚电压是否跌落在电池电压以下,如果Vout电压低于Vbattery电压,则电池开始向系统供电。

入口电源和充电模式选择

  当MODE引脚=1时,选择交流适配器模式为电池充电,同时从适配器中抽取电流给系统供电。
当MODE引脚=0时,选择USB电源模式为电池充电,同时从USB电源中抽取电流给系统供电。
当USB电源和适配器电源都不在位时,自动选取电池作为系统的供电电源。

充电电流设置

  当电池电压低于典型值3V,芯片开始:预充(Vbat<3.0V)-恒流(Vbat>3.0V)-恒压(Vbat接近4.2V)-涓充(Vbat=4.2V)全系列过程。
当电池电压低于4.1V但是大于3V时,芯片自动进入:恒流-恒压-涓充过程。
当充电电流小于中止时充电电流ITERM设定值时,充电过程结束。
1)交流适配器输入模式(MODE引脚=High),通过设定ISET1引脚对地的电阻阻值实现。
快充电流设置:
ICHG=VSET×KSET/RSET
其中当ISET2引脚=High,VSET=2.5V;当ISET2引脚=Low,VSET=1.25V;KSET=425

预充充电电流:
IPRECHG=(VPRECHG×KSET)/RSET

其中VPRECHG=0.25V;KSET=425

中止时充电电流阈值:
ITERM=(KSET×VTERM)/RSET
其中当ISET2引脚= High,VTERM=0.25V;当ISET2引脚= Low,VTERM=0.1V;KSET=425
2)USB电源输入模式(MODE引脚=Low),通过配置ISET2引脚的电位
ISET2引脚=High,ICHG=500mA,IPRECHG=ITERM=50mA
ISET2引脚=Low,ICHG=100mA,IPRECHG=ITERM=10mA
充电时间设置(保护电池在异常充电状态时不被损坏,一旦超时就立刻强行关闭充电单元中止充电)
通过设置TMR引脚对地的电阻实现。
1)tCHG=KTMR×RTMR,其中KTMR=0.36s/kW;RTMR取值范围30kW~100kW
2)预充时间:tPRECHG= 0.1×tCHG
3)如果芯片进入热保护或者进入DPPM状态时,需要按照下列公式计算:
tCHG_TREG=(tCHG×VSET)/ VSET_REG
VSET_TREG =(ICHG×RSET)/KSET
其中KSET=425,ICHG为所设定的充电电流,但是在此模式下,充电电流是由芯片自己调节,不受RSET电阻设定值控制。
4)如果不使用TMR引脚设定安全充电时间,则需要将TMR引脚与VREF引脚连接
温度保护设置
1)将TS引脚与电池包内部的负温度系数的热敏电阻(典型值103AT,10K@25℃)连接即可实现(见图2)。
一定要保证VTS电压满足如下范围才可以使得芯片处于正常工作状态:
0.5V<VTS<2.5V,VTS=0.1mA×RNTC
对于NTC电阻:0.5V代表高温侧的电压阈值;2.5V代表低温侧的电压阈值。
否则芯片会认为电池温度处于不正常状态而拒绝启动充电单元。
3) 如果不使用温度检测功能,将TS引脚与地之间接入一只10KW固定阻值电阻即可。


图2 BQ24070温度保护设置


表1 BQ24070充电状态指示

  充电状态指示

  引脚用法

  CE引脚用于关断或者使能芯片中的所有单元(充电管理单元和功率路径管理单元)。
当CE=0时,Q1关断,Q2导通,此时即使交流适配器在位,也只有电池给系统供电。
当CE=1时,Q1导通,Q2由芯片自己根据实际状态判断是否导通还是关断,启动DPPM单元和充电管理单元,AC供电(没有进入DPPM模式或者进入潜度DPPM模式)或者AC + battery给系统供电(进入深度DPPM模式)。
PG引脚用于指示入口电源状态引脚是开放式漏极,需要上拉电阻辅助。
PG = 0,入口电源正常。
PG = 1,入口电源不正常。
VREF引脚只有在交流适配器或者USB电源在位时才会有固定的3.3V/10mA输出,此引脚需要连接一个去耦电容,容量为0.47mF,不要超过1mF。
MODE引脚为1,使能交流适配器充电功能。
MODE引脚为0,使能USB电源充电功能。
ISET2、CE引脚逻辑高、逻辑低电平范围:逻辑高=1.4V~7V,逻辑低=小于0.4V。

BQ24070缓启动设置

  为了避免BQ24070在系统启动瞬间进入过流保护或者短路保护状态减小瞬态冲击电流(inrush current),要在DPPM引脚与地之间接入一个电容器来实现,通常这个电容地容值为1nF~10nF。

元件选择和布板

  输入输出功率电容应选择ESR值小的无极性瓷片材质的电容,材质标准为X7R或者X5R,电容容值为10mF。
其他辅助控制电容也应选择ESR值小的无极性瓷片材质的电容,材质标准为X7R或者X5R。
所有用于功率输入、输出的电容必须要尽可能的接近IN、OUT、BAT引脚。
用于辅助控制的电容也应尽可能的接近相应引脚,例如与DPPM引脚连接的电容。
所有输入输出用于承载功率的PCB铜线宽度要尽可能的加大,减小线路压降和损耗。
BQ24070芯片底部功率管脚(Power Pad)需要与PCB上大面积的地铜层连接用于散热,将芯片上的热量导出,避免芯片进入过热保护,同时提高芯片工作的可靠性。

BQ24070应用电路

BQ24070应用电路示于图4。


图4 BQ24070应用电路