BQ2404x系列单节锂离子和锂聚合物电池充电器深度解析

在如今的电子设备领域，便携式设备对电池充电器的要求越来越高，不仅要小巧高效，还要具备完善的安全保护功能。TI的BQ2404x系列单节锂离子和锂聚合物电池充电器就是这样一款出色的产品。下面，我们就来详细了解一下这款充电器。

文件下载：bq24040.pdf

一、产品概述

BQ2404x系列包括BQ24040、BQ24041和BQ24045三款产品，是高度集成的充电器，专为空间受限的便携式应用而设计。它可以通过USB端口或交流适配器供电，具有高输入电压范围和输入过压保护，能支持低成本的非稳压适配器。该系列充电器有一个单一的电源输出，可用于给电池充电，也能为系统负载供电，只要系统平均负载不会影响电池在10小时安全定时器内充满电即可。

二、产品特性

充电特性

• 高精度：具备1%的充电电压精度和±10%的充电电流精度，确保电池充电的准确性。
• 灵活的输入电流限制：通过引脚可选择USB 100 mA和500 mA的最大输入电流限制，满足不同应用场景的需求。
• 可编程设置：BQ24040和BQ24045支持可编程的终止和预充电阈值，还能支持4.35 V的高电压化学体系。

保护特性

• 高耐压设计：输入额定电压达30V，具备6.6 V或7.1 V的输入过压保护，有效防止过压损坏。
• 动态功率管理：输入电压动态功率管理功能，可应对输入电源的波动。
• 温度保护：125°C热调节和150°C热关断保护，保障充电器在高温环境下的安全运行。
• 短路保护：具备OUT短路保护和ISET短路检测功能，增强了系统的稳定性。
• JEITA标准支持：通过电池NTC可在JEITA范围内工作，在低温时以半快充电流充电，高温时将充电电压限制在4.06V（BQ24040和BQ24045）。
• 安全定时器：BQ24040和BQ24045配备固定的10小时安全定时器，防止过充。

系统特性

• 自动终止和定时器禁用模式：对于带有热敏电阻的电池组缺失情况，BQ24040和BQ24045具有自动终止和定时器禁用模式（TTDM）。
• 状态指示：通过CHG和PG引脚可指示充电和完成状态，方便用户监控充电过程。
• 小封装设计：采用2×2 (mm^{2}) 的DFN - 10封装，节省空间，适合小型设备应用。
• 自动启动功能：BQ24041集成了自动启动功能，便于生产线测试。
• 功能安全能力：BQ24040具备功能安全能力，还提供相关文档以辅助功能安全系统设计，并获得了IEC 62368 - 1 CB认证（BQ24040、BQ24045）。

三、应用领域

BQ2404x系列适用于多种便携式设备，如TWS耳机、智能手表和手环、无线扬声器、移动POS机以及便携式医疗设备等。这些设备通常对体积和充电效率有较高要求，BQ2404x正好能满足这些需求。

四、详细描述

充电阶段

BQ2404x的充电过程分为三个阶段：预处理、恒流充电和恒压充电。在所有充电阶段，内部控制回路会监控IC结温，若超过内部温度阈值，会降低充电电流。

功能模式

• 电源关闭或欠压锁定（UVLO）：当IN端子电压低于UVLO时，充电器进入电源关闭模式，所有端子呈高阻抗状态。当IN电压高于UVLO阈值时，根据OUT端子（电池）电压进入睡眠模式或活动模式。
• 上电：IN电压高于UVLO后，IC复位所有逻辑和定时器，开始进行连续监测程序，设置输入电流限制阈值，启动安全定时器并使能CHG端子。
• 睡眠模式：当IN端子电压介于 (V{OUT }+V{DT }) 和UVLO之间时，充电电流禁用，安全定时器停止计数，PG和CHG端子呈高阻抗状态。输入电压升高退出睡眠模式后，PG端子变低，安全定时器继续计数，充电恢复。
• 新充电周期：在以下情况会启动新的充电周期：施加有效电源、使用TS引脚或BAT_EN使芯片启用/禁用、退出终止/定时器禁用模式（TTDM）、检测到电池插入、OUT电压低于VRCH阈值。
• 过压保护（OVP）：当输入源出现过压时，经过消隐时间 (t_{BLK(OVP)}) 后，通断FET关闭，定时器停止，CHG和 (overline{PG}) 端子呈高阻抗状态。过压恢复正常后，PG端子变低，定时器继续，充电继续，CHG端子在25ms消隐后变低。
• 电源良好指示（PG）：施加5V电源后，输入电压高于UVLO和睡眠阈值且低于OVP时，PG FET导通，提供低阻抗接地路径。
• CHG端子指示：CHG端子内部的开漏FET在第一次充电时导通（拉低至 (V_{SS}) ），电池达到电压调节且充电电流降至终止阈值时关闭。BQ24041虽不终止充电，但当电池电流达到编程充电电流的10%时，CHG端子也会关闭。

引脚功能

不同型号的BQ2404x引脚功能略有差异，下面是主要引脚的功能介绍：

• IN：输入电源，连接外部直流电源（交流适配器或USB端口），需连接1μF至10μF的旁路电容到VSS。
• OUT：电池连接端，可连接系统负载，也需连接1μF至10μF的旁路电容。
• PRE - TERM（BQ24040和BQ24045）：用于编程电流终止阈值（为ISET设置的Iout的5% - 50%），并将预充电电流设置为终止电流的两倍。
• ISET：用于编程快充电流设置，通过外部电阻连接到VSS来定义快充电流值。
• ISET2：3态输入，用于编程USB或适配器源的输入/输出电流限制。
• TS（BQ24040和BQ24045）：温度感测端子，连接到电池组中的10k NTC热敏电阻，用于实现JEITA温度标准。
• BAT_EN（BQ24041）：充电使能输入（低电平有效）。
• CHG：低电平（FET导通）表示正在充电，开漏（FET截止）表示未充电或充电完成。
• PG：低电平（FET导通）表示输入电压高于UVLO且高于OUT（电池）电压。

五、应用与实现

典型应用电路

以BQ24040和BQ24045为例，典型应用电路的设计要求包括：电源电压为5V，快充电流 (I_{OUT - FC }=540 mA) ，终止电流阈值为快充电流的10%（约54mA），预充电电流默认是终止电流的两倍（约108mA），TS采用10k NTC热敏电阻进行电池温度感测。

详细设计步骤

• 编程快充电流：根据公式 (R{ISET }=left[K{(ISET)} / I_{(OUT) }right]) 计算ISET电阻值，选择合适的标准电阻。
• 编程终止电流阈值：可通过 (PRE - TERM =K{(TERM) } × % IOUT - FC) 或 (PRE - TERM =K{(PRE - CHG)} × % IOUT - FC) 计算PRE - TERM电阻值，选择合适的标准电阻。
• TS功能：使用10k NTC热敏电阻在电池组中，若不需要温度感测功能，可在TS和VSS之间连接固定的10k电阻。
• CHG和PG指示：通过串联电阻和LED连接到OUT端子，可实现LED状态指示；通过连接上拉电阻到处理器电源轨，可实现处理器监控。
• 选择输入和输出端子电容：通常在电源端子、输入和输出端子使用高频去耦电容（陶瓷电容），根据实际系统运行条件评估后可调整电容值。

六、电源供应建议

BQ2404x系列设计工作在3.5 V至28 V的输入电压范围内，输入电源应具有至少最大设计充电电流的能力，并且要保证良好的稳压性能。如果电源距离BQ24040x的IN和GND端子较远，建议使用更大的电容。

七、布局设计

布局指南

• 去耦电容和输出滤波电容应尽量靠近BQ2404x，减少IN、OUT和GND（散热垫）的走线长度。
• 低电流GND连接应与电池的高电流充电或放电路径分开，采用单点接地技术。
• IN和OUT端子的高电流充电路径应根据最大充电电流合理设计尺寸，避免走线电压降。
• 散热垫应连接到PCB接地，使用多个10mil过孔将热量传导到底部接地平面，底部接地平面应避免切断热路径。

热考虑

BQ2404x采用热增强型MLP封装，散热垫可有效实现IC与PCB的热接触。热阻抗 (R_{theta J A}) 受多种因素影响，如是否板载安装、走线尺寸和几何形状、设备方向、环境空气体积和气流等。由于锂离子和锂聚合物电池的充电特性，最大功耗通常出现在充电周期开始时，此时电池电压最低。设计时应避免在典型工作条件下进入热调节模式，热调节功能可用于应对高温环境或高于正常输入电源电压的情况。

八、总结

BQ2404x系列单节锂离子和锂聚合物电池充电器凭借其高精度充电、完善的保护功能、灵活的可编程设置以及小巧的封装设计，在便携式设备领域具有广泛的应用前景。电子工程师在设计时，需根据具体应用需求合理选择型号，按照布局指南进行PCB设计，并注意电源供应和热管理等方面的问题，以充分发挥该系列充电器的性能优势。大家在实际应用中遇到过哪些问题呢？欢迎在评论区分享交流。