深入解析bq2510x系列单节锂离子电池充电器

在当今的电子设备中，电池充电器的性能和可靠性至关重要。TI的bq2510x系列单节锂离子电池充电器以其高集成度、灵活的充电控制和全面的保护功能，成为了空间受限便携式应用的理想选择。今天，我们就来深入了解一下这个系列的充电器。

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一、产品概述

bq2510x系列包括bq25100、bq25101、bq25100A、bq25100H、bq25101H和bq25100L等型号，它们是高度集成的锂离子和锂聚合物线性充电器，专为空间受限的便携式应用而设计。该系列充电器具有以下显著特点：

1. 高精度充电：具备1%的充电电压精度和±10%的充电电流精度，支持10 mA至250 mA的低充电电流，最小充电终止电流可达1 mA。
2. 超低泄漏电流：电池输出泄漏电流最大仅75 nA，有效减少电池自放电。
3. 高电压化学支持：不同型号支持不同的充电电压，如bq25100H/01H支持4.35 V，bq25100A支持4.30 V。
4. 全面保护功能：拥有30-V输入额定值、6.5-V输入过压保护、输入电压动态功率管理、125°C热调节、150°C热关断保护、输出短路保护和ISET短路检测等功能。
5. 灵活的充电控制：可通过外部电阻编程快速充电电流、预充电电流和终止电流阈值。

二、应用领域

bq2510x系列充电器适用于多种便携式设备，如健身配件、智能手表、蓝牙头戴式耳机和低功耗手持设备等。这些设备通常对空间和功耗有较高要求，而bq2510x的小尺寸封装和低功耗特性正好满足了这些需求。

三、充电原理

bq2510x充电器采用三阶段充电方式，即预充电、恒流充电和恒压充电。

1. 预充电阶段：当电池电压低于VLOWV阈值（通常为2.5 V）时，充电器进入预充电阶段，以较低的电流对电池进行预conditioning，使电池恢复到可正常充电的状态。预充电电流可通过PRE - TERM引脚编程，通常为快速充电电流的10% - 100%。
2. 恒流充电阶段：当电池电压达到VLOWV阈值后，充电器进入恒流充电阶段，以设定的快速充电电流对电池进行充电。快速充电电流可通过ISET引脚的外部电阻进行编程，范围为10 mA至250 mA。
3. 恒压充电阶段：当电池电压达到调节电压时，充电器进入恒压充电阶段，保持电池电压恒定，直到充电电流逐渐减小到终止电流阈值，充电结束。

四、关键特性详解

1. 过压保护（OVP）

充电器持续监测输入电压，当输入源施加过压时，经过消隐时间tBLK(OVP)后，通过FET关闭，定时器停止计数。当电压恢复正常后，定时器和充电继续。

2. CHG引脚指示

对于bq25101和bq25101H型号，CHG引脚具有内部开漏FET。在首次充电时（独立于TTDM模式），FET导通（拉低至VSS），当电池达到电压调节且充电电流减小到PRE - TERM电阻设定的终止阈值时，FET关闭。

3. IN - DPM功能

IN - DPM功能用于检测输入源电压下降（由于负载过大导致电压折叠）的情况。当输入电压降至VIN - DPM阈值时，内部通过FET开始减小电流，以防止输入电压进一步下降，保护输入源免受过大负载的影响。该功能不适用于bq25100A。

4. ISET引脚

ISET引脚通过外部电阻编程输出电流（10 - 250 mA），并可作为电流监测。计算公式为RISET = KISET ÷ IOUT，其中KISET为增益因子。ISET电阻具有短路保护功能，当检测到电阻低于约420 Ω时，IC将锁存关闭，可通过循环电源或循环TS引脚进行复位。

5. PRE - TERM引脚

PRE - TERM引脚用于编程预充电电流和终止电流阈值。预充电电流是终止电流的两倍，终止电流可设置为ISET设定的输出电流的5% - 50%。当引脚浮空时，终止和预充电电流分别内部设置为10%和20%。

6. TS引脚

TS引脚用于温度监测，遵循JEITA温度标准。不同型号在不同温度范围内有不同的充电策略，如在0°C - 10°C时，充电电流减半；在45°C - 60°C时，调节电压降低。TS引脚还可通过拉高或拉低来控制充电器进入TTDM模式或禁用充电。

7. 定时器

预充电定时器设定为30分钟，快速充电定时器固定为10小时。在热调节或INDPM模式下，定时器时钟减慢一半。当定时器超时，充电终止。

8. 终止功能

当OUT引脚电压超过VRCH且电流减小到终止阈值时，进行电池检测。如果电池存在，充电电流终止；如果电池移除，根据TS引脚状态进入相应模式。

五、应用设计示例

1. 设计要求

• 电源电压：5 V
• 快速充电电流：40 mA
• 终止电流阈值：快速充电电流的10%（约4 mA）
• 预充电电流：终止电流的两倍（约8 mA）
• 电池温度传感器：10 - k NTC（103AT）
• /CE为开漏控制引脚

2. 详细设计步骤

• 编程快速充电电流：根据公式RISET = K(ISET) / I(OUT)，从电气特性表中可知K(SET) = 135 AΩ，计算得到RISET = [135 AΩ / 0.04 A] = 3.4 kΩ，选择最接近的标准值3.4 - kΩ电阻连接在ISET和Vss之间。
• 编程终止电流阈值：根据公式RPRE - TERM = K(TERM) × %IOUT - FC，K(TERM) = 600 Ω / %，%IOUT - FC = 10%，计算得到RPRE - TERM = 600 Ω / % × 10% = 6 kΩ，选择6 - kΩ电阻连接在PRE - TERM和Vss之间。
• TS功能：在电池组中使用10 - k NTC热敏电阻（103AT）。若要禁用温度传感功能，可在TS和VSS之间连接一个固定的10 - kΩ电阻。
• 选择IN和OUT引脚电容：在大多数应用中，只需在电源引脚、输入和输出引脚使用高频去耦电容（陶瓷电容）。根据实际系统运行条件评估电压信号后，可调整电容值。

六、布局和热管理

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bq2510x放置，且到IN、OUT和GND的走线应尽量短。所有低电流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。

2. 热管理

热阻（θJA）是衡量封装热性能的常用指标，计算公式为θJA = (TJ - T) / P，其中TJ为芯片结温，T为环境温度，P为器件功耗。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，电池电压最低。热循环功能可降低充电电流以限制IC结温，建议在典型工作条件下避免进入热调节模式。

七、总结

bq2510x系列单节锂离子电池充电器以其高精度、低功耗、全面保护和灵活控制等优点，为便携式设备的电池充电提供了可靠的解决方案。在设计应用时，我们需要根据具体需求合理选择型号和参数，并注意布局和热管理，以确保充电器的性能和可靠性。你在使用bq2510x系列充电器时遇到过哪些问题呢？欢迎在评论区分享你的经验和见解。