深入剖析bq2407x：单芯片锂离子充电与系统电源路径管理IC

在如今的便携式电子设备领域，高效、紧凑的电源管理解决方案至关重要。TI的bq2407x系列单芯片锂离子充电与系统电源路径管理IC，为空间受限的便携式应用提供了出色的解决方案。今天，我们就来深入了解一下这款IC的详细特性和应用。

文件下载：bq24070.pdf

一、bq2407x简介

bq2407x系列包括bq24070和bq24071，采用小尺寸3.5 - mm × 4.5 - mm VQFN封装，专为单节锂离子或锂聚合物便携式应用而设计。它高度集成了DC电源（交流适配器）路径管理功能，具备自主电源选择、功率FET和电流传感器、高精度电流和电压调节、充电状态指示以及充电终止等功能，能在为系统供电的同时独立为电池充电。

二、关键特性

（一）电源路径管理

这是bq2407x的核心特性之一。它能让系统优先使用输入电源，即使电池电量耗尽，系统也能正常启动。

1. IN模式（Mode = High）
   • 系统供电：系统负载直接由交流适配器通过内部晶体管Q1供电，输出电压稳定在4.4 V（bq24070）。若系统负载超过电源容量，输出电压会降至电池电压。
   • 充电控制：电池通过开关Q2充电，充电速率由ISET1输入设置。
   • 动态电源路径管理（DPPM）：监测输出电压，当输入电流受限导致输出电压降至预设值时，会降低电池充电电流，以维持系统所需电流。这一特性有诸多优势，比如允许设计师选择功率更低的电源适配器，降低功耗，提高系统效率，还能在各种情况下维持系统电压稳定。
2. USB模式（Mode = Low）
   • 系统供电：系统负载由USB端口通过内部开关Q1供电，Q1将总电流调节至ISET2输入所选的100 - mA或500 - mA水平，输出电压同样调节至4.4 V（bq24070）。
   • 充电控制：Q1调节输入电流，电池充电电流由ISET1电阻设置。若充电电流超过USB电流限制，输出电压会降至电池电压或DPPM电压，DPPM会降低充电电流以防止输出电压下降。
   • 动态电源路径管理（DPPM）：原理与IN模式类似，但Q1受ISET2所选的USB电流水平限制。

（二）电池温度监测

bq2407x通过测量TS和VSS引脚之间的电压来持续监测电池温度。内部电流源为常见的10 kΩ负温度系数热敏电阻（NTC）提供偏置。当检测到温度超出内部 (V{(LTF)}) 和 (V{(HTF)}) 阈值时，会立即暂停充电，待温度恢复正常范围后再恢复充电。

（三）充电状态输出

开放漏极（OD）的STAT1和STAT2输出能指示各种充电器操作状态，可用于驱动LED或与主机处理器通信。不同的充电状态对应不同的STAT1和STAT2组合，方便用户了解充电情况。

（四）PG输出（Power Good）

开放漏极引脚PG用于指示输入电源是否存在且高于电池电压。退出睡眠模式（输入电压高于电池电压）时，相应输出变为低电平；睡眠模式下则为开放漏极。该引脚可驱动LED或与主机处理器通信。

（五）短路恢复

输出具备两种短路保护：输入短路和电池短路。当输出电压下降到特定值时，相应的FET会关闭，通过特定的恢复机制（如应用上拉电阻或电流源）可使FET重新开启。此外，在某些情况下可暂时禁用电池短路保护，但需谨慎操作。

（六）VREF

VREF用于内部参考和补偿，典型值为3.3 V。通过将TMR连接到VREF引脚，可禁用安全定时器和终止功能。内部补偿时，VREF引脚需连接至少0.1 - μF的陶瓷电容，且电容值不应超过1 μF。

三、设备功能模式

（一）睡眠模式 - (V(IN) < V_{I(BAT)})

当输入电源移除时，bq2407x进入低功耗睡眠模式，防止电池向IC放电。在睡眠模式下，Q2保持导通，使电池能继续为系统供电。

（二）待机模式 - (V(IN) > V_{I(BAT)}) 且CE（芯片使能）引脚 = 低

CE引脚用于禁用或启用IC。当CE为低电平时，IC进入低功耗待机模式，内部功率FET Q1关闭，电池通过Q2和OUT引脚为系统供电，可限制从输入电源吸取的功率。

（三）电池充电模式 - (V(IN) > V_{I(BAT)}) ，电池存在，CE引脚 = 高且DPPM引脚未浮空

1. 自动电源选择和启动序列：MODE控制引脚可选择输入源的优先级。MODE引脚为高时，从输入以ISET1设置的充电速率充电；MODE引脚为低时，默认采用USB充电，充电速率和电源电流受ISET2限制。此外，在MODE = Low时，bq2407x提供专有启动序列，在首次上电时以100 - mA的USB充电速率充电约150 ms，之后再按设置实现CE和ISET2输入设置。
2. 充电控制
   • 电池预充电：当电池电压低于 (V{(LOWV)}) 阈值时，bq2407x会施加预充电电流，以恢复深度放电的电池。预充电速率由连接在ISET1和VSS引脚之间的 (R{SET}) 电阻决定，同时会激活安全定时器 (t{(PRECHG)}) ，若在定时器内未达到 (V{(LOWV)}) 阈值，充电器将关闭并发出故障信号。
   • 电池充电电流：bq2407x提供片上电流调节，充电水平由 (R_{SET}) 电阻决定，在IN模式下可通过设置ISET2引脚将充电水平改变2倍。在USB供电时，DPPM会尝试降低充电电流以防止输出电压下降。
   • 电池电压调节：通过BAT引脚进行电压调节反馈，当电池电压达到 (V_{O(REG)}) 阈值时，进入电压调节阶段，充电电流逐渐减小。若电池缺失，BAT引脚会在充电完成和充电（电池再充电阈值）之间循环。同时，bq2407x会监测充电时间，若未在规定时间内终止充电，会关闭充电器并发出故障信号。
   • 温度调节和热保护：为了最大化充电速率，bq2407x具备结温调节环路。当IC功耗导致结温超过 (T{J(REG)}) 阈值时，会降低充电电流以维持结温。若结温超过 (T{(SHTDWN)}) ，会断开OUT引脚与IN输入的连接，直到结温下降到阈值以下。电池补充模式无热保护，但有短路保护电路限制电池放电电流。
   • 充电定时器操作：bq2407x通过监测充电时间作为安全备份，若在规定时间 (t{(CHG)}) 内未检测到终止阈值，会关闭充电器并发出故障信号。定时器周期由连接在TMR和VSS之间的 (R{TMR}) 电阻决定，可通过将TMR引脚连接到VREF引脚禁用充电定时器。在热调节或DPPM模式下，定时器周期会动态调整，以确保电池能完全充电。
   • 定时器故障恢复：当出现定时器故障时，根据电池电压与再充电阈值的关系，bq2407x有不同的恢复方法。若电池电压高于再充电阈值，等待电池电压降至阈值以下后重新开始充电；若电池电压低于再充电阈值，会施加 (I_{(FAULT)}) 电流，当电池电压高于阈值时，再按上述方法恢复。
   • 充电终止和再充电：bq2407x在电压调节阶段监测ISET1引脚电压，当充电电流降至编程快速充电速率的1/10（MODE引脚为高时）或1/25（MODE引脚为低时）时，终止充电。充电终止后，当BAT引脚电压降至 (V_{(RCH)}) 阈值以下时，会重新开始充电，以保持电池满容量。

四、应用与实现

（一）应用信息

与没有动态电源路径管理（DPPM）的充电器相比，bq2407x单节锂离子电池充电器即使在电池深度放电的情况下也能提供即时系统电源。最大充电电流由ISET2设置，但输入电流限制电路（由ISET1和MODE引脚控制）或DPPM电路可将充电电流从最大值降低。

（二）典型应用

以bq24070为例，设计要求为通过交流适配器供电，IN输入设置为约5.1 V（1.5 A电流限制）， (I{(CHG)} = 1 ~A) ， (V{(DPPM - SET)} = 3.7 ~V) ， (V{(DPPM - REG)} = 1.15 × V{(DPPM - SET)} = 4.26 ~V) ，Mode = High，且不连接USB输入。电池组内有一个103AT热敏电阻，期望有6小时的安全超时时间。

1. 详细设计步骤
   • 电容选择：在IN和OUT引脚放置最小0.1 μF的电容，为改善负载瞬态响应，再增加10 - μF的电容。在BAT引脚添加推荐的33 - μF电容，以确保在无电池连接时正常工作。在BAT和ISET1之间连接0.22 - μF电容，以改善低充电电流时的操作。
   • 电阻计算：根据公式计算 (R{SET}) 、 (R{TMR}) 和 (R_{DPPM}) 的值。
   • 其他设置：将ISET2引脚拉高以防止充电电流减半，添加10 nF的 (C_{DPPM}) 电容以防止IC在启动时误进入短路保护模式。
2. 输入和输出电容选择
   • 输入电容：大多数应用中，在IN到VSS引脚附近放置0.1 - μF的陶瓷电容作为高频去耦电容即可。某些情况下，根据电源特性和电缆长度，可能需要额外添加4.7 - μF到10 - μF的陶瓷电容。
   • 输出电容：bq2407x仅需一个小的输出电容来保证环路稳定性，通常在OUT和VSS引脚之间放置0.1 - μF的陶瓷电容即可。为改善负载瞬态响应，建议至少再添加10 - μF的陶瓷电容。
   • BAT电容：建议在BAT引脚和VSS之间安装至少33 - μF的电容，以确保在无负载（无系统负载或电池连接）的情况下正常热插拔上电。
   • VREF电容：VREF输出需要一个0.1 μF的电容。
   • DPPM电容：在DPPM引脚和地之间放置1 - nF到100 - nF的电容，可减缓 (V_{DPPM}) 的上升时间，延迟短路保护。

五、电源供应建议

bq2407x需要一个能够提供4.35 V至16 V的VCC且至少100 mA至2 A电流的电源。为使电池完全充电，电源必须能够提供至少 (V{O(BAT - REG)} + V{(BATDO)}) 的电压。随着输入电压的增加，IC的功耗也会增加，IC的热保护环路会降低输入电流以防止损坏。

六、布局设计

（一）布局指南

为实现最佳性能，应将输入端子到VSS的去耦电容和OUT到VSS的输出滤波电容尽可能靠近bq2407x放置，并确保信号和VSS引脚的走线短。同时，要将所有低电流VSS连接与电池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功率接地路径。高电流充电路径（IN、BAT和OUT引脚）的走线尺寸应根据最大充电电流进行适当设计，以避免电压降。

（二）热考虑

bq2407x采用热增强型MLP封装，带有QFN热焊盘，可有效实现器件与印刷电路板（PCB）之间的热接触。热阻抗 (theta_{JA}) 是衡量封装热性能的常用指标，其值受多种因素影响，如器件是否安装在电路板上、走线尺寸、器件方向、周围空气体积和气流等。器件的功耗 (P) 与充电速率和内部功率FET上的电压降有关，由于锂离子电池的充电特性，最大功耗通常出现在充电周期开始时。在进行稳态热设计时，通常以3.5 V作为最小电池电压。

七、总结

bq2407x系列IC凭借其丰富的功能和出色的性能，为便携式电子设备的电源管理提供了可靠的解决方案。无论是电源路径管理、电池温度监测，还是充电状态指示和短路保护等功能，都能满足空间受限的便携式应用需求。在实际应用中，合理的设计和布局对于发挥其性能至关重要。各位工程师在使用过程中，不妨根据具体需求灵活调整参数，以达到最佳的使用效果。你在使用类似IC时遇到过哪些问题呢？欢迎在评论区分享交流。