bq25890：一款高效的單節電池快速充電管理芯片

bq25890 是德州儀器 (Texas Instruments, TI) 推出的一款高度集成的開關模式充電管理芯片，專為空間受限、對充電效率和安全性有高要求的便攜式應用而設計。它主要用于對單節鋰離子或鋰聚合物電池進行快速充電。這款芯片憑借其高效率、多種安全保護功能以及對各種輸入源的兼容性，在智能手機、平板電腦、移動電源、可穿戴設備以及其他便攜式電子產品中得到了廣泛應用。

1. bq25890 的核心功能與優勢

bq25890 的設計理念是提供一個“一站式”的充電解決方案，它集成了多種功能，從而簡化了系統設計，降低了物料成本，并提升了充電性能。

• 高效率開關模式充電： bq25890 采用同步降壓 (Buck) 開關模式轉換器架構。相較于傳統的線性充電器，開關模式充電器具有更高的效率，這意味著在充電過程中產生的熱量更少，從而延長了電池壽命，并允許更高的充電電流，實現更快的充電速度。其通常的充電效率可以達到90%以上，這對于電池容量日益增大的現代電子設備來說至關重要。

• 寬輸入電壓范圍： 該芯片支持較寬的輸入電壓范圍，通常為 3.9V 至 14V，這使得它能夠兼容多種輸入電源，例如 USB 適配器（包括標準 USB、快充協議如 QC2.0/QC3.0/USB PD 等）、墻壁適配器或移動電源。這大大增加了設計的靈活性。

• I2C 兼容接口： bq25890 通過 I2C 兼容接口與主控制器（如微控制器 MCU 或應用處理器 AP）進行通信。這使得主控制器能夠實時監控充電狀態、電池電壓、充電電流、輸入電壓/電流，并能夠動態調整充電參數，如充電電流、輸入電流限制等，實現智能化的充電管理。

• 集成多重安全保護功能： 安全是電池充電管理的首要考慮因素。bq25890 集成了多項全面的安全保護功能，以確保充電過程的穩定和安全，包括：

• 輸入過壓保護 (IOVP)： 防止輸入電壓過高損壞芯片和連接的設備。

• 電池過壓保護 (BOVP)： 防止電池充電電壓超過安全限制，避免電池過充。

• 熱關斷 (Thermal Shutdown)： 當芯片溫度超過安全閾值時，自動停止充電，防止過熱損壞。

• 充電定時器： 在設定時間內未達到充滿條件時，停止充電，作為額外的安全保障。

• 欠壓鎖定 (UVLO)： 當輸入電壓過低時，芯片會進入欠壓鎖定狀態，防止不穩定的充電。

• 電池溫度感應 (TS)： 通過外部熱敏電阻監控電池溫度，在電池過冷或過熱時暫停或調整充電，以保護電池。

• 輸入電流調節 (AICL) 和動態電源管理 (DPM)： 這些功能允許芯片智能地管理輸入電流，防止輸入電源過載。

• D+/D- 檢測和輸入電流優化： bq25890 具有 D+/D- 檢測功能，可以識別連接的 USB 端口類型（例如，標準下行端口 SDP、充電下行端口 CDP、專用充電端口 DCP）。結合輸入電流優化 (AICL) 和動態電源管理 (DPM) 功能，芯片可以根據檢測到的輸入源能力，自動調整輸入電流限制，從而最大限度地利用可用電源，實現最快的充電速度，同時避免電源過載。

• OTG 升壓模式： bq25890 支持 On-The-Go (OTG) 模式，允許設備在沒有外部電源的情況下，將自身電池的電能升壓輸出，為其他連接的 USB 設備供電（例如，為另一部手機充電或為 USB 風扇供電）。這使得主設備可以作為移動電源使用，增加了其功能性。

• 船運模式/低功耗模式： 芯片通常具有低功耗模式，在電池充滿或充電停止時，將自身功耗降至最低，以延長電池待機時間。同時，還可能支持“船運模式”，在此模式下，系統功耗被降到極低，適用于產品在運輸或長期儲存時保持電池電量。

2. bq25890 的工作原理

bq25890 的工作原理圍繞著其開關模式降壓轉換器展開，并輔以各種控制和保護電路。

• 恒流/恒壓 (CC/CV) 充電模式： 鋰離子電池的充電過程通常分為幾個階段，bq25890 完整支持這些階段：

• 涓流充電 (Pre-charge)： 當電池電壓極低時（例如低于 3V），芯片會以一個較小的電流對電池進行預充電，以喚醒電池并將其電壓提升到安全范圍。

• 恒流充電 (CC Mode)： 當電池電壓達到預設閾值后，芯片進入恒流模式，以設定的最大充電電流對電池進行快速充電。充電電流由外部電阻或通過 I2C 接口設定。

• 恒壓充電 (CV Mode)： 當電池電壓接近充滿電壓（通常為 4.2V 或 4.35V，取決于電池類型）時，芯片切換到恒壓模式，保持電池電壓恒定，同時充電電流逐漸減小。

• 充電終止： 當充電電流降至預設的終止電流（例如，最大充電電流的 1/10 或 1/15）并且電池電壓保持在恒壓充電電壓時，充電過程終止。

• 輸入電源管理： bq25890 能夠智能地管理輸入電源。

• 輸入電流限制： 可以通過 I2C 接口或外部電阻設定輸入電流限制，防止輸入電源過載。

• 動態電源管理 (DPM)： 當系統負載和充電電流之和超過輸入電流限制時，DPM 功能會自動降低充電電流，優先滿足系統負載的需求，從而防止輸入電壓跌落，確保系統穩定運行。

• 最佳輸入電流限制 (AICL)： 通過監測 D+/D- 引腳，芯片可以自動識別 USB 端口類型，并根據端口的最大供電能力自動調整輸入電流限制，以實現最快的充電速度。

• 電池溫度監控： 通過連接到 TS 引腳的熱敏電阻，芯片可以實時監測電池溫度。在電池溫度過低（可能導致鋰析出）或過高（可能加速電池老化甚至引發熱失控）時，芯片會暫停充電或降低充電電流，以保護電池安全和延長壽命。

• 系統功耗路徑管理： bq25890 通常具有獨立的功率路徑管理，這意味著它可以同時為系統供電和為電池充電。當外部電源連接時，系統可以直接從外部電源獲取能量，而不需要經過電池，這可以減少電池的充放電循環次數，從而延長電池壽命。

3. bq25890 的典型應用電路與主要引腳

雖然具體的應用電路會因設計需求而異，但 bq25890 的典型應用電路通常包含以下關鍵組件和連接：

• 輸入端 (VBUS, GND)： 連接到 USB 端口或直流電源適配器。

• 輸出端 (BAT, SW, SYS)：

• BAT： 連接到電池正極。

• SW： 連接到降壓轉換器的電感和肖特基二極管。

• SYS： 連接到系統的電源軌。

• I2C 接口 (SCL, SDA)： 連接到主控制器，用于通信。

• 狀態指示引腳 (STAT, INT)：

• STAT： 提供充電狀態指示（如正在充電、充電完成、故障）。

• INT： 中斷引腳，用于向主控制器發送充電狀態變化或故障警報。

• 其他控制/反饋引腳：

• TS： 連接到電池熱敏電阻，用于溫度感應。

• EN： 使能引腳，用于控制芯片的開啟/關閉。

• ILIM： 用于設定輸入電流限制（也可通過 I2C）。

• OTG： OTG 模式使能引腳。

• CE： 充電使能引腳。

在典型應用中，工程師會根據電池容量、所需充電電流、輸入電源類型以及系統功耗等因素，選擇合適的外部電感、電容、電阻以及肖特基二極管來配合 bq25890 工作，并編寫相應的固件來控制芯片。

4. bq25890 的配置與寄存器設置（I2C 接口）

bq25890 的強大功能很大程度上得益于其可編程性，這通過 I2C 接口實現。主控制器可以通過讀寫 bq25890 內部的寄存器來配置芯片的各種參數和讀取其狀態。

一些重要的可配置參數包括：

• 輸入電流限制： 設置芯片允許從輸入源抽取的最大電流。

• 充電電流： 設定恒流充電階段的電流大小。

• 充電電壓： 設定恒壓充電的最終電壓。

• 終止電流： 設置充電終止的電流閾值。

• 充電定時器： 設置最大充電時間，防止長時間充電異常。

• OTG 模式： 啟用或禁用 OTG 升壓模式，并配置升壓輸出電壓和電流限制。

• 狀態和故障寄存器： 讀取芯片的實時狀態，例如充電狀態（預充電、恒流、恒壓、充滿）、故障類型（輸入過壓、電池過溫等）。

通過對這些寄存器的精確控制，系統可以根據電池狀態、用戶需求和電源可用性動態調整充電策略，例如在電池電量較低時使用大電流快充，在電池接近充滿時減小電流以保護電池，或在電池溫度異常時暫停充電。

5. bq25890 的優勢總結

總結來說，bq25890 是一款功能全面、性能優異的單節鋰離子電池充電管理芯片，其主要優勢在于：

• 高集成度： 將多種充電和保護功能集成在一個小尺寸封裝中，簡化了外部電路設計。

• 高效率： 開關模式充電器確保了充電過程中的低功耗和低發熱。

• 高安全性： 全面的安全保護機制確保了充電過程的可靠性。

• 靈活性和可編程性： I2C 接口允許主控制器對充電參數進行靈活配置和實時監控。

• 良好的兼容性： 寬輸入電壓范圍和 USB 端口檢測功能使其能夠適應各種充電輸入源。

• OTG 功能： 增加了設備的通用性和便捷性。

6. 選型考慮與設計注意事項

在將 bq25890 應用到實際產品中時，工程師需要考慮以下幾個方面：

• 電池特性匹配： 確保 bq25890 的充電參數（如最大充電電壓、終止電流）與所選鋰離子電池的規格完全匹配，以確保電池安全和壽命。

• 熱管理： 盡管 bq25890 效率高，但在高電流充電時仍會產生一定的熱量。因此，在 PCB 布局時需要充分考慮散熱，例如使用大面積的銅箔進行散熱，或在必要時增加散熱片。

• 輸入電源能力： 確保所選的外部電源適配器或 USB 端口能夠提供 bq25890 所需的最大輸入電流，以實現最快的充電速度。

• I2C 通信： 確保主控制器與 bq25890 之間的 I2C 通信穩定可靠，軟件驅動需要正確配置和處理。

• 外部元件選擇： 根據數據手冊的建議，選擇合適的電感、輸入/輸出電容以及肖特基二極管，這些元件的參數（如ESR、飽和電流、額定電壓等）會直接影響充電性能和效率。

• EMI/EMC： 由于是開關模式轉換器，需要注意電磁干擾 (EMI) 和電磁兼容性 (EMC) 問題。合理的 PCB 布局和元件選擇有助于降低 EMI。

總而言之，bq25890 是一款功能強大且廣泛應用的充電管理解決方案，它為現代便攜式電子設備提供了高效、安全、智能的電池充電能力。理解其核心功能、工作原理和配置方法對于設計高性能的電源管理系統至關重要。