德州仪器bq5105xB：高效无线充电解决方案

在当今科技飞速发展的时代，无线充电技术凭借其便捷性和创新性，成为电子设备领域的热门趋势。德州仪器（TI）推出的bq5105xB系列产品，包括bq51050B、bq51051B和bq51052B，为无线充电应用提供了高效、可靠的解决方案。本文将深入介绍bq5105xB的特性、应用、工作原理以及设计要点，帮助电子工程师更好地理解和应用这一产品。

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一、产品特性

1. 集成度高

bq5105xB将无线功率接收器、整流器和电池充电器集成在一个小封装中，实现了单级无线功率接收和锂离子/锂聚合物电池充电功能。这种高度集成的设计不仅节省了电路板空间，还降低了系统成本。

2. 输出电压选项丰富

提供4.20-V、4.35-V和4.40-V三种输出电压选项，可满足不同类型电池的充电需求。同时，支持高达1.5 A的充电电流，能够快速为电池充电。

3. 高效充电

具有93%的峰值AC - DC充电效率，有效减少了能量损耗，提高了充电效率。在整个充电周期中，功率级输出能够跟踪整流器和电池电压，确保最大效率。

4. 强大的保护功能

具备20-V最大输入电压容限和输入过压保护，能够有效防止过压对设备造成损坏。此外，还提供热关断、过流保护、温度监测和故障检测等功能，确保充电过程的安全性和可靠性。

5. 兼容性强

与WPC v1.2 Qi行业标准兼容，可与符合该标准的发射器配合使用，实现无线充电功能。

6. 封装形式多样

提供小尺寸的DSGBA和VQFN封装，方便工程师根据不同的应用需求进行选择。

二、应用领域

bq5105xB适用于多种便携式设备，如电池组、手机、智能手机、耳机、便携式媒体播放器等。其高效、可靠的充电性能，能够为这些设备提供稳定的电源支持。

三、工作原理

1. 无线功率传输

无线系统由充电板（初级，发射器）和次级设备组成。充电板和次级设备中的线圈通过变压器作用实现磁耦合，当设备放置在充电板上时，功率从初级传输到次级。通过改变初级驱动的频率，可以控制传输的功率量。

2. 通信机制

次级设备通过改变初级看到的负载来与初级通信。负载变化导致初级线圈电流的变化，充电板中的处理器对其进行测量和解释。通信采用数字方式，数据包从次级传输到初级，使用差分双相编码，速率为2-kbps。

3. 充电过程

当设备放置在充电板上时，接收器线圈感应到充电板线圈产生的磁通量，从而在接收器线圈中感应出电压。内部同步整流器将该电压馈送到RECT引脚，经过滤波后为电池充电。bq5105x通过测量RECT引脚的电压，计算实际电压与期望电压VRECT - REG之间的差值，并向初级发送误差数据包，直到RECT电压稳定在VRECT - REG。

四、电池充电过程

1. 预充电模式

当电池电压 (V{BAT} ≤ V{LOWV}) 时，bq5105x进入预充电模式。在此模式下，电池充电电流限制设置为IPRECHG，充电电流调节为快速充电电流（IBULK）设置的 (K{PRECHG}) 百分比。如果电池深度放电或短路，bq5105x会施加 (I{BAT(SC)}) 电流，将电池电压提升到可接受的充电水平。

2. 快速充电模式 / 恒压模式

当 (V{BAT} > V{LOWV}) 时，bq5105x进入快速充电模式（电流调节阶段），通过内部MOSFET调节充电电流。当电池电压充电到 (V{BAT-REG}) 时，进入恒压（CV）阶段，调节电池电压到 (V{OREG}) ，并降低充电电流。当 (I{BAT}) 低于终止阈值（ (I{TERM - Th}) ）时，充电器向TX发送EPT（充电完成）通知，并进入高阻抗模式。

3. 电池充电电流设置计算

• (R_{ILIM}) 计算：(R{ILIM}) 是从ILIM引脚到PGND的总电阻，通过公式 (R{ILIM} = R{1} + R{FOD}) 计算，其中 (R{1}=frac{K{ILIM }}{I{BULK }} - R{FOD}) ， (I_{BULK}) 是快速充电模式下的编程电池充电电流。
• 终止计算：终止阈值通过公式 (R{TERM } = K{TERM } * % I{BULK }) 计算，其中 (K{TERM}) 常数在电气特性中规定为240 Ω/%，终止阈值设置为充电电流设置（IBULK）的百分比。

五、设计要点

1. 电容选择

• 串联和并联谐振电容：根据WPC v1.2规范，正确选择串联电容 (C{1}) 和并联电容 (C{2}) ，以确保双谐振电路的性能。
• COMM、CLAMP和BOOT电容：BOOT电容用于确保内部整流器FET的正常开关，CLAMP电容用于过压保护，COMM电容用于促进RX到TX的通信。

2. 充电和终止电流设置

根据设计要求，选择合适的 (R{1}) 和 (R{FOD}) 来设置充电电流 (I{BULK}) ，并通过 (R{TERM}) 设置终止电流。

3. 适配器启用

将AD引脚连接到外部USB电源，通过 (AD_EN) 引脚控制外部电源的启用。EN2引脚用于控制有线电源的使用。

4. 布局设计

• 保持AC1、AC2和BAT的走线电阻尽可能低。
• 检测和谐振电容应尽可能靠近设备。
• COMM、CLAMP和BOOT电容应放置在靠近设备的位置。
• PGND网络的过孔互连对于信号完整性和热性能至关重要。
• 高频旁路电容应靠近RECT和OUT引脚。
• 最小化ILIM和FOD电阻到PGND的回路。
• 对于RHL封装，将散热垫连接到地以帮助散热。

六、总结

bq5105xB系列产品以其高集成度、高效充电、强大的保护功能和广泛的兼容性，为无线充电应用提供了优秀的解决方案。电子工程师在设计过程中，需要根据具体应用需求，合理选择电容、设置充电和终止电流，并注意布局设计，以确保系统的性能和可靠性。通过深入了解bq5105xB的特性和工作原理，工程师可以更好地实现无线充电系统的设计和优化。

你在实际应用中是否遇到过类似产品的设计挑战？你对无线充电技术的未来发展有什么看法？欢迎在评论区分享你的经验和想法。