BQ25173：1 - 4 节超级电容器的 800mA 线性充电器

引言

在电子设备的设计中，超级电容器的充电管理至关重要。BQ25173 作为一款集成的 800mA 线性充电器，专为 1 - 4 节超级电容器设计，适用于空间受限的应用场景。本文将详细介绍 BQ25173 的特性、应用、规格以及详细的工作原理，希望能为电子工程师们在设计相关电路时提供参考。

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一、BQ25173 的特性

1. 高耐压与低功耗

• 输入电压：最高可耐受 40V 的输入电压，能适应较宽范围的电源输入。
• 低功耗模式：具备自动睡眠模式，功耗极低。充电禁用时，输出泄漏电流仅 350nA，输入泄漏电流为 2μA。

  2. 多节支持与可编程性

• 支持多节电容：可支持 1 - 4 节超级电容器充电，且能从 0V 开始充电。
• 可编程操作：通过外部电阻进行编程。FB 引脚可调节超级电容器的调节电压，ISET 引脚能将充电电流设置在 10mA 至 800mA 之间。

  3. 高精度充电

• 电压精度：充电电压精度达到 ±1%。
• 电流精度：充电电流精度为 ±10%。

  4. 充电功能与保护

• 充电控制：CE 引脚用于充电功能控制。
• 状态指示：具备开漏输出用于状态和故障指示，以及电源良好指示。
• 故障保护：集成了多种保护功能，包括 18V IN 过压保护、1000mA 过流保护、125°C 热调节和 150°C 热关断保护，还有 OUT 短路保护和 ISET 引脚短/开路保护。

二、应用场景

BQ25173 适用于多种设备，如智能电表、条形码扫描仪、便携式医疗设备和行车记录仪等。这些设备通常对空间和功耗有较高要求，而 BQ25173 的特性正好满足这些需求。

三、规格参数

1. 绝对最大额定值

参数	最小值	最大值	单位
IN 电压	- 0.3	40	V
OUT 电压	- 0.3	13	V
CE、FB、ISET、STAT、PG 电压	- 0.3	5.5	V
PG、STAT 输出灌电流	-	5	mA
结温 (T_J)	- 40	150	°C
存储温度 (T_{stg})	- 65	150	°C

2. ESD 评级

• 人体模型（HBM）：±2500V
• 带电设备模型（CDM）：±1500V

3. 推荐工作条件

参数	最小值	标称值	最大值	单位
输入电压 (V_{IN})	3.0	-	18	V
输出电压 (V_{OUT})	0	-	10.5	V
输出电流 (I_{OUT})	-	-	0.8	A
结温 (T_J)	- 40	-	125	°C
IN 电容 (C_{IN})	1	-	-	μF
OUT 电容 (C_{OUT})	1	-	-	μF
ISET 电阻 (R_{ISET})	0.375	-	30	kΩ

4. 热信息

热指标	BQ25173（DSG (WSON) 8 引脚）	单位
结到环境热阻 (R_{θJA})	75.2	°C/W
结到外壳（顶部）热阻 (R_{θJC(top)})	93.4	°C/W
结到电路板热阻 (R_{θJB})	41.8	°C/W
结到顶部表征参数 (Ψ_{JT})	3.8	°C/W
结到电路板表征参数 (Ψ_{JB})	41.7	°C/W
结到外壳（底部）热阻 (R_{θJC(bot)})	17.0	°C/W

5. 电气特性

涵盖了静态电流、输入输出电压范围、充电电流调节等多个方面的参数，例如：

• 静态输出电流 (I_{Q_OUT}) 在不同条件下有不同取值，如 OUT = 4.2V，IN 浮动或 IN = 0V - 5V，充电禁用（CE 高），(T_J = 25°C) 时，典型值为 0.350μA。
• 输入操作范围 (V_{IN_OP}) 为 3.0V 至 18V。

四、详细工作原理

1. 概述

BQ25173 有一个单一的电源输出用于给超级电容器充电，系统负载可与超级电容器并联，充电电流在系统和超级电容器之间共享。当输入有效电源时，会检查 ISET 引脚是否短路或开路，然后尝试以设定的快速充电电流将超级电容器从完全放电（0V）充电到可编程调节电压 (V{REG})。若 IC 温度达到 (T{REG})，会进入热调节模式，降低充电电流以控制温度。

2. 功能框图

（此处虽文档未详细给出功能框图的具体内容，但可想象其包含输入电源、充电控制、电压电流调节、状态指示等模块）

3. 特性描述

3.1 设备从输入源上电

• ISET 引脚检测：插入有效 (V_{IN}) 且 CE 引脚拉低后，检查 ISET 引脚电阻是否短路。若短路，充电器进入故障状态，需切换输入或 CE 引脚复位；若开路，充电器启动但无充电电流。该引脚在充电过程中持续监测，电阻变化会立即影响充电电流。
• 充电器上电：检测完 ISET 引脚后，启动线性调节器。

  3.2 超级电容器调节电压

  通过 OUT 和 FB 引脚之间的电阻分压器对超级电容器调节电压 (V{REG}) 进行编程，公式为 (V{REG}=V{FB_REF} × frac{R{FBT}+R{FBB}}{R{FBB}})，其中 (V_{FB_REF}) 可从电气特性表中获取，总电阻不应超过 1MΩ。

  3.3 超级电容器充电曲线

  充电分为恒流和恒压两个阶段。在快速充电阶段，超级电容器电压较低时，IC 功耗最大。若 IC 温度达到 (T_{REG})，进入热调节。随着超级电容器接近调节电压，电流逐渐降至 0mA，与锂离子充电器不同，无电流终止阈值。

  3.4 状态输出

• 电源良好指示器（PG 引脚）：当输入源满足一定条件（(V{IN}) 高于 (V{IN_LOWV})、高于 (V{OUT}+V{SLEEPZ}) 且低于 (V{IN_OV})）时，该开漏引脚拉低，表示输入源正常。当 (V{REG} leq) 5V 时，PG 引脚可作为反馈分压器底部电阻的接地连接，以防止充电器禁用时超级电容器的分压器泄漏电流。
• 充电状态指示器（STAT）：根据充电状态呈现不同状态，(V{FB}) 小于 (V{FB_REF}) 的 98% 时为高，大于 98% 时为低，出现故障（如 (V_{IN}) 过压、OUT 过流或 ISET 引脚短路）时以 1Hz 闪烁。

  3.5 保护功能

• 输入过压保护（VIN OVP）：若 IN 引脚电压超过 (V_{IN_OV})，设备进入待机模式，IN 电压恢复正常后继续充电。
• 输出过流保护（OUT OCP）：若 OUT 引脚电流超过 (I{OUT_OCP})，经过消抖时间 (t{OUT_OCP_DGL}) 后设备关闭并锁存，需切换输入电源或 CE 引脚重启。
• 热调节和热关断：监测内部结温 (TJ)，超过热调节极限 (T{REG}) 时自动降低充电电流；超过热关断阈值 (T{SHUT}) 时关闭线性调节器，温度下降到 (T{SHUT}) 下降阈值以下时恢复工作。

4. 设备功能模式

4.1 关机或欠压锁定（UVLO）

当 IN 引脚电压小于 (V{IN_LOWV}) 时，设备处于关机状态，内部电路断电，所有引脚呈高阻抗，从输入电源汲取电流。IN 电压上升超过 (V{IN_LOW}) 阈值后，根据 OUT 引脚电压进入睡眠模式或活跃模式。

4.2 睡眠模式

当 (V{IN_LOW} < V{IN} < V{OUT}+V{SLEEPZ}) 时，设备处于睡眠模式，等待输入电压上升超过 (V{OUT}+V{SLEEPZ}) 后开始工作。

4.3 活跃模式

当 CE 引脚为低且 IN 电压同时超过 (V{IN_LOWV}) 和 (V{OUT}+V{SLEEPZ}) 时，设备上电并给超级电容器充电，从电源汲取 (I{Q_IN}) 为内部电路提供偏置。

4.4 待机模式

存在有效输入电源且检测到可恢复故障时，设备处于待机模式，内部电路部分偏置，继续监测故障是否消除。

4.5 故障模式

故障分为可恢复和不可恢复两类。可恢复故障（如 (V_{IN}) 过压）在故障条件消除后自动恢复；不可恢复故障（如 OUT 过流、ISET 引脚短路检测）需切换引脚或输入电源才能恢复工作。

五、应用与实现

1. 应用信息

典型应用是将 BQ25173 配置为 1 - 4 节超级电容器的独立充电器。通过 OUT 和 FB 引脚之间的电阻分压器配置调节电压 (V{REG})，通过 ISET 引脚的下拉电阻配置充电电流。将 CE 引脚拉高于 (V{IH}) 可禁用充电功能，通过 STAT 和 PG 引脚报告充电器和输入电源状态。

2. 典型应用示例

2.1 1s 超级电容器充电器设计示例

• 设计要求：电源电压 5V 至 18V，快速充电电流 (I{CHG}=800mA)，调节电压 (V{REG}=2.4V)，CE 为开漏控制引脚，PG 引脚作为反馈分压器的接地连接以减少超级电容器电流泄漏。
• 详细设计步骤：根据公式 (V{REG}=V{FB_REF} × frac{R{FBT}+R{FBB}}{R{FBB}}) 计算 (R{FBB})，根据 (R{ISET}=[K{ISET} / I{CHG}]) 计算 (R{ISET})（(K{ISET}=300AΩ)，(R{ISET}=[300AΩ / 0.8A]=375Ω)）。

  2.2 4s 超级电容器充电器设计示例

• 设计要求：电源电压 9V 至 18V，快速充电电流 (I{CHG}=500mA)，调节电压 (V{REG}=8.8V)，CE 为控制引脚，拉高可禁用充电器。

六、电源供应建议

BQ25173 设计工作在 3.0V 至 18V（最高耐受 40V）的输入电压范围内，且电源电流能力至少应满足最大设计充电电流。若电源距离 IN 和 GND 引脚较远，建议使用更大的电容。

七、布局设计

1. 布局指南

• 为获得最佳性能，IN 到 GND 的去耦电容和 OUT 到 GND 的输出滤波电容应尽可能靠近设备，且到 IN、OUT 和 GND 的走线要短。
• 所有低电流 GND 连接应与超级电容器的高电流充电或放电路径分开，采用单点接地技术，结合小信号接地路径和电源接地路径。
• IN 引脚的高电流充电路径和 OUT 引脚的路径应根据最大充电电流适当设置尺寸，以避免走线中的电压降。

  2. 布局示例

  文档给出了 BQ25173 电路板布局示例，可供参考。

  3. 热封装

  热阻抗 (θ{JA}) 是衡量封装热性能的常用指标，计算公式为 (θ{JA} = (T_J – T) / P)，其中 (T_J) 为芯片结温，(T) 为环境温度，(P) 为设备功耗。由于超级电容器的充电特性，最大功率耗散通常出现在充电周期开始时电压最低的时候。热循环功能可降低充电电流以限制 IC 结温过高，建议在典型工作条件下设计时避免进入热调节模式，仅在非典型情况（如高温环境或高于正常的输入电源电压）下使用该功能。

八、设备与文档支持

1. 设备支持

TI 对第三方产品不做适用性保证和背书。

2. 文档更新通知

可在 ti.com 上的设备产品文件夹中订阅更新，以接收文档更新通知。

3. 支持资源

TI E2E™ 支持论坛是获取快速准确答案和设计帮助的重要来源。

4. 商标

TI E2E™ 是德州仪器的商标。

5. 静电放电注意事项

该集成电路易受 ESD 损坏，需采取适当的处理和安装措施。

6. 术语表

文档提供了 TI 术语表，解释相关术语、首字母缩写和定义。

总结

BQ25173 是一款功能强大、性能出色的超级电容器充电器，具有高耐压、低功耗、高精度、多保护等特点，适用于多种空间受限的应用场景。在设计相关电路时，工程师们需要根据具体需求合理配置参数，注意布局设计和电源供应，以确保设备的稳定运行。大家在实际应用中是否遇到过类似充电器的问题呢？欢迎在评论区分享交流。