bq25890：一款高效的單節(jié)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(kāi)關(guān)模式充電管理芯片，專為空間受限、對(duì)充電效率和安全性有高要求的便攜式應(yīng)用而設(shè)計(jì)。它主要用于對(duì)單節(jié)鋰離子或鋰聚合物電池進(jìn)行快速充電。這款芯片憑借其高效率、多種安全保護(hù)功能以及對(duì)各種輸入源的兼容性，在智能手機(jī)、平板電腦、移動(dòng)電源、可穿戴設(shè)備以及其他便攜式電子產(chǎn)品中得到了廣泛應(yīng)用。

1. bq25890 的核心功能與優(yōu)勢(shì)

bq25890 的設(shè)計(jì)理念是提供一個(gè)“一站式”的充電解決方案，它集成了多種功能，從而簡(jiǎn)化了系統(tǒng)設(shè)計(jì)，降低了物料成本，并提升了充電性能。

• 高效率開(kāi)關(guān)模式充電： bq25890 采用同步降壓 (Buck) 開(kāi)關(guān)模式轉(zhuǎn)換器架構(gòu)。相較于傳統(tǒng)的線性充電器，開(kāi)關(guān)模式充電器具有更高的效率，這意味著在充電過(guò)程中產(chǎn)生的熱量更少，從而延長(zhǎng)了電池壽命，并允許更高的充電電流，實(shí)現(xiàn)更快的充電速度。其通常的充電效率可以達(dá)到90%以上，這對(duì)于電池容量日益增大的現(xiàn)代電子設(shè)備來(lái)說(shuō)至關(guān)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(biāo)準(zhǔn) USB、快充協(xié)議如 QC2.0/QC3.0/USB PD 等）、墻壁適配器或移動(dòng)電源。這大大增加了設(shè)計(jì)的靈活性。

• I2C 兼容接口： bq25890 通過(guò) I2C 兼容接口與主控制器（如微控制器 MCU 或應(yīng)用處理器 AP）進(jìn)行通信。這使得主控制器能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)控充電狀態(tài)、電池電壓、充電電流、輸入電壓/電流，并能夠動(dòng)態(tài)調(diào)整充電參數(shù)，如充電電流、輸入電流限制等，實(shí)現(xiàn)智能化的充電管理。

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

• 輸入過(guò)壓保護(hù) (IOVP)： 防止輸入電壓過(guò)高損壞芯片和連接的設(shè)備。

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

• 熱關(guān)斷 (Thermal Shutdown)： 當(dāng)芯片溫度超過(guò)安全閾值時(shí)，自動(dòng)停止充電，防止過(guò)熱損壞。

• 充電定時(shí)器： 在設(shè)定時(shí)間內(nèi)未達(dá)到充滿條件時(shí)，停止充電，作為額外的安全保障。

• 欠壓鎖定 (UVLO)： 當(dāng)輸入電壓過(guò)低時(shí)，芯片會(huì)進(jìn)入欠壓鎖定狀態(tài)，防止不穩(wěn)定的充電。

• 電池溫度感應(yīng) (TS)： 通過(guò)外部熱敏電阻監(jiān)控電池溫度，在電池過(guò)冷或過(guò)熱時(shí)暫停或調(diào)整充電，以保護(hù)電池。

• 輸入電流調(diào)節(jié) (AICL) 和動(dòng)態(tài)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(guò)載。

• D+/D- 檢測(cè)和輸入電流優(yōu)化： bq25890 具有 D+/D- 檢測(cè)功能，可以識(shí)別連接的 USB 端口類型（例如，標(biāo)準(zhǔn)下行端口 SDP、充電下行端口 CDP、專用充電端口 DCP）。結(jié)合輸入電流優(yōu)化 (AICL) 和動(dòng)態(tài)電源管理 (DPM) 功能，芯片可以根據(jù)檢測(cè)到的輸入源能力，自動(dòng)調(diào)整輸入電流限制，從而最大限度地利用可用電源，實(shí)現(xiàn)最快的充電速度，同時(shí)避免電源過(guò)載。

• OTG 升壓模式： bq25890 支持 On-The-Go (OTG) 模式，允許設(shè)備在沒(méi)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(shè)備供電（例如，為另一部手機(jī)充電或?yàn)?USB 風(fēng)扇供電）。這使得主設(shè)備可以作為移動(dòng)電源使用，增加了其功能性。

• 船運(yùn)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(shí)，將自身功耗降至最低，以延長(zhǎng)電池待機(jī)時(shí)間。同時(shí)，還可能支持“船運(yùn)模式”，在此模式下，系統(tǒng)功耗被降到極低，適用于產(chǎn)品在運(yùn)輸或長(zhǎng)期儲(chǔ)存時(shí)保持電池電量。

2. bq25890 的工作原理

bq25890 的工作原理圍繞著其開(kāi)關(guān)模式降壓轉(zhuǎn)換器展開(kāi)，并輔以各種控制和保護(hù)電路。

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

• 涓流充電 (Pre-charge)： 當(dāng)電池電壓極低時(shí)（例如低于 3V），芯片會(huì)以一個(gè)較小的電流對(duì)電池進(jìn)行預(yù)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(dāng)電池電壓達(dá)到預(yù)設(shè)閾值后，芯片進(jìn)入恒流模式，以設(shè)定的最大充電電流對(duì)電池進(jìn)行快速充電。充電電流由外部電阻或通過(guò) I2C 接口設(shè)定。

• 恒壓充電 (CV Mode)： 當(dāng)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(shí)，芯片切換到恒壓模式，保持電池電壓恒定，同時(shí)充電電流逐漸減小。

• 充電終止： 當(dāng)充電電流降至預(yù)設(shè)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(shí)，充電過(guò)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(guò) I2C 接口或外部電阻設(shè)定輸入電流限制，防止輸入電源過(guò)載。

• 動(dòng)態(tài)電源管理 (DPM)： 當(dāng)系統(tǒng)負(fù)載和充電電流之和超過(guò)輸入電流限制時(shí)，DPM 功能會(huì)自動(dòng)降低充電電流，優(yōu)先滿足系統(tǒng)負(fù)載的需求，從而防止輸入電壓跌落，確保系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。

• 最佳輸入電流限制 (AICL)： 通過(guò)監(jiān)測(cè) D+/D- 引腳，芯片可以自動(dòng)識(shí)別 USB 端口類型，并根據(jù)端口的最大供電能力自動(dòng)調(diào)整輸入電流限制，以實(shí)現(xiàn)最快的充電速度。

• 電池溫度監(jiān)控： 通過(guò)連接到 TS 引腳的熱敏電阻，芯片可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電池溫度。在電池溫度過(guò)低（可能導(dǎo)致鋰析出）或過(guò)高（可能加速電池老化甚至引發(fā)熱失控）時(shí)，芯片會(huì)暫停充電或降低充電電流，以保護(hù)電池安全和延長(zhǎng)壽命。

• 系統(tǒng)功耗路徑管理： bq25890 通常具有獨(dú)立的功率路徑管理，這意味著它可以同時(shí)為系統(tǒng)供電和為電池充電。當(dāng)外部電源連接時(shí)，系統(tǒng)可以直接從外部電源獲取能量，而不需要經(jīng)過(guò)電池，這可以減少電池的充放電循環(huán)次數(shù)，從而延長(zhǎng)電池壽命。

3. bq25890 的典型應(yīng)用電路與主要引腳

雖然具體的應(yīng)用電路會(huì)因設(shè)計(jì)需求而異，但 bq25890 的典型應(yīng)用電路通常包含以下關(guān)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(zhuǎn)換器的電感和肖特基二極管。

• SYS： 連接到系統(tǒng)的電源軌。

• I2C 接口 (SCL, SDA)： 連接到主控制器，用于通信。

• 狀態(tài)指示引腳 (STAT, INT)：

• STAT： 提供充電狀態(tài)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(fā)送充電狀態(tài)變化或故障警報(bào)。

• 其他控制/反饋引腳：

• TS： 連接到電池?zé)崦綦娮瑁糜跍囟雀袘?yīng)。

• EN： 使能引腳，用于控制芯片的開(kāi)啟/關(guān)閉。

• ILIM： 用于設(shè)定輸入電流限制（也可通過(guò) I2C）。

• OTG： OTG 模式使能引腳。

• CE： 充電使能引腳。

在典型應(yīng)用中，工程師會(huì)根據(jù)電池容量、所需充電電流、輸入電源類型以及系統(tǒng)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(lái)配合 bq25890 工作，并編寫相應(yīng)的固件來(lái)控制芯片。

4. bq25890 的配置與寄存器設(shè)置（I2C 接口）

bq25890 的強(qiáng)大功能很大程度上得益于其可編程性，這通過(guò) I2C 接口實(shí)現(xiàn)。主控制器可以通過(guò)讀寫 bq25890 內(nèi)部的寄存器來(lái)配置芯片的各種參數(shù)和讀取其狀態(tài)。

一些重要的可配置參數(shù)包括：

• 輸入電流限制： 設(shè)置芯片允許從輸入源抽取的最大電流。

• 充電電流： 設(shè)定恒流充電階段的電流大小。

• 充電電壓： 設(shè)定恒壓充電的最終電壓。

• 終止電流： 設(shè)置充電終止的電流閾值。

• 充電定時(shí)器： 設(shè)置最大充電時(shí)間，防止長(zhǎng)時(shí)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(tài)和故障寄存器： 讀取芯片的實(shí)時(shí)狀態(tài)，例如充電狀態(tài)（預(yù)充電、恒流、恒壓、充滿）、故障類型（輸入過(guò)壓、電池過(guò)溫等）。

通過(guò)對(duì)這些寄存器的精確控制，系統(tǒng)可以根據(jù)電池狀態(tài)、用戶需求和電源可用性動(dòng)態(tài)調(diào)整充電策略，例如在電池電量較低時(shí)使用大電流快充，在電池接近充滿時(shí)減小電流以保護(hù)電池，或在電池溫度異常時(shí)暫停充電。

5. bq25890 的優(yōu)勢(shì)總結(jié)

總結(jié)來(lái)說(shuō)，bq25890 是一款功能全面、性能優(yōu)異的單節(jié)鋰離子電池充電管理芯片，其主要優(yōu)勢(shì)在于：

• 高集成度： 將多種充電和保護(hù)功能集成在一個(gè)小尺寸封裝中，簡(jiǎn)化了外部電路設(shè)計(jì)。

• 高效率： 開(kāi)關(guān)模式充電器確保了充電過(guò)程中的低功耗和低發(fā)熱。

• 高安全性： 全面的安全保護(hù)機(jī)制確保了充電過(guò)程的可靠性。

• 靈活性和可編程性： I2C 接口允許主控制器對(duì)充電參數(shù)進(jìn)行靈活配置和實(shí)時(shí)監(jiān)控。

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

• OTG 功能： 增加了設(shè)備的通用性和便捷性。

6. 選型考慮與設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)

在將 bq25890 應(yīng)用到實(shí)際產(chǎn)品中時(shí)，工程師需要考慮以下幾個(gè)方面：

• 電池特性匹配： 確保 bq25890 的充電參數(shù)（如最大充電電壓、終止電流）與所選鋰離子電池的規(guī)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(shí)仍會(huì)產(chǎn)生一定的熱量。因此，在 PCB 布局時(shí)需要充分考慮散熱，例如使用大面積的銅箔進(jìn)行散熱，或在必要時(shí)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(shí)現(xiàn)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(wěn)定可靠，軟件驅(qū)動(dòng)需要正確配置和處理。

• 外部元件選擇： 根據(jù)數(shù)據(jù)手冊(cè)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(shù)（如ESR、飽和電流、額定電壓等）會(huì)直接影響充電性能和效率。

• EMI/EMC： 由于是開(kāi)關(guān)模式轉(zhuǎn)換器，需要注意電磁干擾 (EMI) 和電磁兼容性 (EMC) 問(wèn)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(qiáng)大且廣泛應(yīng)用的充電管理解決方案，它為現(xiàn)代便攜式電子設(shè)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(duì)于設(shè)計(jì)高性能的電源管理系統(tǒng)至關(guān)重要。