BQ25188：小体积、低功耗的单节电池充电解决方案

在当今的电子设备中，电池充电管理芯片的性能和特性对于设备的续航能力、安全性和稳定性起着至关重要的作用。TI的BQ25188就是这样一款值得关注的芯片，它专为小型设备设计，具备小尺寸、低静态电流等优点，能够有效延长电池寿命。下面，我们就来详细了解一下BQ25188的特点、应用以及设计要点。

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一、BQ25188的主要特性

1. 充电能力与电压范围

BQ25188是一款1A线性电池充电器，输入电压工作范围为3.0V至18V，这使得它能够适应多种充电场景，包括电池对电池充电、USB适配器充电以及高阻抗电源充电。其电池调节电压可在3.6V至4.65V之间以10mV的步长进行配置，精度高达0.5%，并且支持Li - ion、Li - Poly和LiFePO4等多种电池化学体系。

2. 充电电流与负载支持

该芯片的快速充电电流可在5mA至1A之间进行配置，电池FET导通电阻仅为55mΩ，能够有效降低功耗。同时，它还支持高达3A的放电电流，可满足高系统负载的需求。

3. 温度管理与保护功能

BQ25188具备可配置的NTC充电曲线阈值，包括JEITA支持，能够根据电池温度智能调整充电参数。此外，它还集成了多种故障保护功能，如输入过压保护（VIN_OVP）、电池短路保护（BATSC）、电池过流保护（BATOCP）、输入电流限制保护（ILIM）、热调节（TREG）和热关断（TSHUT）、电池热故障保护（TS）以及看门狗和安全定时器故障保护等，确保充电过程的安全可靠。

4. 低静态电流与唤醒功能

芯片具有超低静态电流，关机模式下仅为15nA，运输模式下为3.2μA（可通过按钮按压唤醒），仅电池模式下为4μA，睡眠模式下输入适配器静态电流为30μA。此外，它还配备了一键唤醒和复位输入功能，方便用户操作。

5. 电源路径管理与电压调节

BQ25188支持电源路径管理，可在为系统供电的同时为电池充电。其调节后的系统电压（SYS）范围为4.4V至5.5V，还具备电池跟踪输入电压动态功率管理（VINDPM）功能，适用于高阻抗输入源。

二、应用领域

BQ25188的特性使其非常适合多种应用场景，包括但不限于：

• TWS耳机及充电盒：满足耳机快速充电和低功耗的需求，延长耳机的使用时间。
• 智能眼镜、AR和VR设备：为这些对体积和功耗要求较高的设备提供高效的充电解决方案。
• 智能手表和其他可穿戴设备：小尺寸和低静态电流特性使其成为可穿戴设备的理想选择。
• 零售自动化和支付设备：确保设备在频繁使用过程中的稳定供电和充电。
• 楼宇自动化系统：为系统中的传感器和控制设备提供可靠的电源管理。

三、充电过程详解

1. 涓流充电

当电池电压（VBAT）低于(V_{BATSC})阈值时，为防止电池损坏，芯片会以较低的涓流充电电流（IBATSC）对电池进行充电。在此期间，设备仍会计入预充电安全定时器，涓流充电和预充电共用快速充电定时器25%的时长。

2. 预充电

当电池电压高于(V{BATSC})但低于(V{LOWV})阈值时，电池以预充电电流（IPRECHG）进行充电。预充电电流是终止电流的倍数，通常为快速充电电流的一定百分比。当电池电压达到预充电到快速充电的过渡阈值（(V_{LOWV})）时，设备将以快速充电电流对电池进行充电。如果设备在快速充电安全定时器的25%时间内未退出预充电阶段，则会停止充电。

3. 快速充电

当(V{BAT}>V{LOW})时，充电器主要由恒流（CC）和恒压（CV）两个控制环路控制。在CC环路占主导时，通常是(V{BAT}{BATREG}-V{RCH})，电池以最大充电电流(I{CHG})进行充电。当电池电压接近(V{BATREG})水平时，CV环路逐渐占主导，充电电流开始逐渐减小。当充电电流达到终止电流（(I{TERM})）时，充电完成。

4. 终止充电

在快速充电过程中，当CV环路比CC环路更占主导时，充电电流会逐渐减小并接近(I{TERM})阈值。该阈值可通过(I^{2}C)事务进行配置。当达到终止阈值时，设备会自动禁用BATFET，进入高阻抗模式。如果在CV环路减小充电电流的过程中，存在其他调节环路（如VINDPM、DPPM或热调节环路）影响充电电流，则不会终止充电。只有当CV环路在没有其他调节环路影响的情况下运行时，才会终止充电。充电终止后，设备会监测BAT引脚电压，如果电压下降到低于电池调节电压（(V{BATREG})）减去充电阈值（VRCH），则会启动新的充电周期并重置安全定时器。

四、关键特性解析

1. 输入电压动态功率管理（VINDPM）

VINDPM环路可防止输入电压下降到导致充电中断的程度。当输入电源无法支持编程或默认的充电电流和系统负载时，输入电压会下降。一旦电压降至(V_{INDPM})阈值，输入DPM电流和电压环路会通过阻断FET降低输入电流，以防止电压进一步下降。该阈值可通过(I^{2}C)寄存器进行编程，甚至可以完全禁用。当设备进入此模式时，充电电流可能低于设定值，并且VINDPM_ACTIVE_STAT位会被置位。如果通过2XTMR_EN位设置了2倍定时器，在VINDPM激活期间，安全定时器会延长。此外，VINDPM阈值可以配置为跟踪电池电压。

2. 动态功率路径管理模式（DPPM）

在连接有效输入源的情况下，功率路径管理电路会持续监测输入电压和电流。流入IN的电流会在SYS处分配，用于为电池充电和为系统负载供电。如果充电电流和负载电流之和超过预设的最大输入电流，输入DPM环路会降低输入电流。如果SYS电压降至DPPM电压阈值以下，DPPM环路会通过BATFET降低充电电流。如果在BATFET充电电流降至零后，SYS电压仍低于补充模式阈值，设备将进入补充模式。在DPPM环路控制期间，SYS电压会保持在电池电压以上，并且电池终止充电功能会被禁用。

3. 电池补充模式

在DPPM模式下，当充电电流降至零且系统负载电流超过编程的输入电流限制时，SYS电压会进一步降低。当SYS电压降至电池电压以下至(V{BSUP1})时，电池会为系统负载提供补充电源。当SYS引脚电压上升到电池电压与(V{BSUP2})之间时，电池停止补充供电。在补充模式期间，电池补充电流不受调节，但如果启用了BATOCP保护电路，则该电路会处于激活状态。同时，电池终止充电功能在补充模式下也会被禁用。

4. 睡眠模式

当(V{IN})降至睡眠模式进入阈值以下且高于欠压锁定阈值时，设备会进入低功耗睡眠模式。在睡眠模式下，输入与电池隔离，可防止在没有(V{IN})时电池放电。当(V{IN}{BAT}+V_{SLEEP})时，设备会打开电池放电FET，在INT输出端发送脉冲，并通过(I^{2}C)更新寄存器的VIN_PGOODSTAT位。一旦(V{IN}>V{BAT}+V{SLEEP})且(V_{IN})超过VINDPM阈值，设备会启动新的充电周期。

5. SYS电源控制

通过(I^{2}C)的SYSMODE位，设备可以控制SYS的供电方式。这些位可以强制SYS由BAT供电而不是IN（即使(V{IN}>V{BAT}+V{SLEEP})），也可以将SYS与任何电源断开、下拉SYS或使其浮空。不同的SYS_MODE设置会导致不同的设备行为：

• SYS_MODE = 00：这是设备的默认状态和正常工作模式。如果(V{IN}>V{UVLO})、(V{IN}>V{BAT}+V{SLEEP})且(V{IN}
• SYS_MODE = 01：当设置此配置时，如果(V{BAT}>V{BUVLO})，无论(V{IN})状态如何，SYS都将由BAT供电。这允许主机在适配器仍连接的情况下最小化从适配器的电流消耗。如果在(V{BAT}
• SYS_MODE = 10：设置此配置时，SYS将被断开并浮空。数字电路保持开启和活跃状态。浮空时，SYS只能被强制到最高(V{BAT})电平。切换(V{IN}(V{IN}{INUVLO}))会将SYS_MODE重置为00。
• SYS_MODE = 11：设置此配置时，SYS将被断开并下拉到地。切换(V_{IN})会将SYS_MODE重置为00。

6. SYS调节

BQ25188包含一个SYS电压调节环路，可防止连接到SYS的下游设备暴露在高达VINOVP的电压下。只有当(V{IN}>V{UVLO})、(V{IN}>V{BAT}+V{SLEEP})且(V_{IN}

• 电池跟踪模式：当电池电压低于3.6V时，最小电压为(V{MINSYS})值。随着电池电压升高，VSYS将被调节为比电池电压高225mV。如果(V{IN}
• 固定电压模式：SYS电压将被调节为主机设置的目标值，范围从4.4V到5.5V。如果(V_{IN})电压低于SYS目标电压，则设备将进入降压模式。

7. ILIM控制

输入电流限制可以通过(I^{2}C)选择ILIM位进行控制。如果ILIM钳位激活，ILIM_ACTIVE_STAT位将被置位。MASK_ILIM可以防止发出中断，但不会覆盖ILIM本身的行为。主机可以通过(I^{2}C)动态编程ILIM值。

8. 保护机制

BQ25188集成了多种保护机制，确保设备在各种异常情况下的安全性：

• 输入过压保护：当VIN > (V_{IN_OVP})时，设备会检测到输入过压情况。此时，电池放电FET会打开，INT输出端会发送一个128 - μs的脉冲，并且通过(I^{2}C)更新故障位（VIN_OVP_FAULT_FLAG）。VIN_PGOOD_STAT位也会受到影响，因为VIN电源良好条件将失败。一旦过压情况消除，VIN_OVP_FAULT_FLAG故障位将被清除，设备恢复正常运行。
• 电池欠压锁定：为防止电池过度放电，当电池电压降至编程的BUVLO电压设置以下时，设备会断开BAT到SYS的路径。当VIN上存在有效电压时，也可以读取BUVLO状态。
• 电池过流保护：当电池FET上的电流超过IBAT_OCP时，设备会检测到过流情况。此时，电池放电FET会关闭，设备进入打嗝模式，在过流情况关闭250ms（tREC_SC）后重新启用BATFET。如果在2s窗口内连续4至7次触发过流情况，BATFET将保持关闭状态，直到连接有效的VIN（VIN = VIN_POWERGOOD）。如果在补充模式下发生过流情况且VIN已经存在，则必须切换VIN才能启用BATFET并开始另一个检测周期。
• 系统过压保护：为防止SYS因输入电源而过冲到高电压，SYS_OVP会暂时断开阻断FET，并在阈值降至SYS_OVP_FALLING阈值以下时重新启用。SYS_OVP_RISING阈值通常为目标SYS电压的120%，SYS_OVP_FALLING阈值为目标SYS电压的117%。
• 系统短路保护：当适配器连接且设备打开输入FET 5ms后检测到SYS引脚短路（SYS引脚电压 < VSYS_SHORT）时，系统短路保护会启动。此时，设备会关闭输入FET 200μs，然后再打开5ms，使SYS电压上升到VSYS_SHORT阈值以上。如果经过10次尝试后，SYS电压仍未超过VSYS_SHORT阈值，设备将禁用输入和BATFET路径，并等待适配器插入后再重新打开这些路径。同时，会实现一个2s定时器来刷新重试计数器，2s后设备会再次检查系统短路情况，并重复10次尝试。
• 热保护和热调节：在设备运行过程中，会监测芯片的结温(T{J})。当(T{J})达到TSHUTRISING时，设备会停止充电操作，VSYS会关闭。如果在设备上电（电池或适配器供电）之前(T{J}>TSHUT_RISING)，无论TSMR引脚状态如何，输入FET或BATFET都不会打开。此后，如果温度降至TSHUTFALLING以下，且VIN存在或处于仅电池模式，设备将自动上电。在充电过程中，为防止设备过热，当(T{J})达到热调节阈值（(T_{REG})）时，设备会根据THERM_REG设置的位降低充电电流。如果充电电流降至0，电池将为SYS输出提供所需的电流。可以通过(I^{2}C)选择四种温度设置。建议不要禁用THERM_REG功能，特别是在高输入电压充电时，因为高输入电压下大电流充电可能会导致设备超过绝对最大结温额定值，从而损坏设备。
• 安全定时器和看门狗定时器：在每个充电周期模式（预充电或快速充电）开始时，设备会启动相应的模式安全定时器。如果在编程的安全时间内充电未终止，即t({MAXCHG})到期，或者设备在tPRECHG到期前未退出预充电模式，充电将被禁用。预充电安全定时器tPRECHG为t({MAXCHG})的25%。当安全定时器故障发生时，会向/INT引脚发送一个128 - μs的脉冲，并更新状态寄存器的STAT和FAULT位。必须切换充电使能位或输入电源才能清除安全定时器。安全定时器持续时间可以使用SAFETY_TIMER_1:0位进行编程。当安全定时器激活时，更改安全定时器持续时间会重置安全定时器。设备还包含一个2XTMR_EN位，当SYS上的高负载（DPM操作 - 导致VDPPM启用）、VINDPM、热调节或NTC（JEITA）条件导致充电电流降低时，该位会使安全定时器持续时间加倍，以防止安全定时器过早到期。如果充电电流因预充电或TS_Cool而降低，则2XTMR_EN无效，安全定时器将以正常速度运行。如果输入源即使在显著降低充电电流的情况下仍无法提供足够的电流，则不建议将安全定时器持续时间加倍。在CC模式下，如果电池电压下降导致充电器进入预充电模式（由于电池上的大负载、热事件等），安全定时器将在预充电期间重置计数，然后重置快速充电安全定时器。如果设备在预充电、CC或CV模式下进入电池补充模式，且充电器未禁用，则设备将暂停安全定时器，直到充电可以恢复。此外，设备还包含一个看门狗定时器，用于通过(I^{2}C)接口监视主机。看门狗定时器默认启用，主机可以通过(I^{2}C)事务禁用它。一旦接收到初始事务，看门狗定时器就会启动。主机通过(I^{2}C)接口的任何事务都会重置看门狗定时器。如果看门狗定时器到期而没有从(I^{2}C)接口进行重置，所有R/W寄存器将重置为默认值。可以通过WATCHDOG_SEL_1:0位在仅电池模式或适配器存在时设置看门狗定时器。