BQ2407x系列：高效的单节锂离子线性充电器

引言

在当今的电子设备中，电池充电管理是一个至关重要的环节。对于空间受限的便携式应用来说，一款性能出色、功能丰富的充电器芯片能够显著提升设备的性能和用户体验。TI的BQ2407x系列单节锂离子线性充电器就是这样一款优秀的产品，它集成了多种功能，为电子工程师提供了可靠的充电解决方案。

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产品概述

BQ2407x系列包括BQ24072、BQ24073、BQ24074、BQ24075和BQ24079等型号，适用于多种便携式设备，如TWS充电盒、耳机、游戏配件、视频门铃、IP网络摄像头、资产跟踪设备、便携式医疗设备等。

主要特性

1. USB兼容性：完全符合USB充电器标准，可选择100 mA和500 mA的最大输入电流，确保符合USB - IF标准。同时，具备输入动态功率管理（(V_{IN}) - DPM）功能，可防止充电器损坏配置不当的USB电源。
2. 功能安全能力：部分型号（如BQ24074）具备功能安全能力，提供相关文档以辅助功能安全系统设计。
3. 高电压输入与过压保护：支持28 V的输入电压，并具备过压保护功能，确保设备在高压环境下的安全。
4. 动态功率路径管理（DPPM）：能够同时且独立地为系统供电和为电池充电，当输入电流限制导致系统输出降至DPPM阈值时，会自动降低充电电流，保证系统负载的稳定供电。
5. 大电流充电：支持高达1.5 A的充电电流，并具备电流监测输出（ISET），方便工程师实时监测充电电流。
6. 可编程功能：输入电流限制、终止电流、预充电和快速充电安全定时器等均可通过外部电阻进行编程，满足不同应用的需求。
7. 电池断开功能：部分型号（如BQ24075和BQ24079）具备电池断开功能，可通过SYSOFF输入实现电池与系统的断开。
8. 保护功能：具备反向电流、短路和热保护功能，以及NTC热敏电阻输入，可监测电池温度，确保充电过程的安全。
9. 状态指示：提供充电/完成、电源良好等状态指示，方便用户了解充电状态。
10. 安全认证：部分型号（如BQ24072）获得了IEC 62368 - 1认证。

技术细节

引脚配置与功能

BQ2407x系列芯片具有多个引脚，每个引脚都有特定的功能。例如，BAT引脚用于连接电池，CE引脚用于控制充电使能，CHG引脚用于指示充电状态，EN1和EN2引脚用于配置输入电流限制等。具体的引脚功能如下表所示：	PIN	'72, '73	'74	'75, '79	I/O	DESCRIPTION
BAT	2, 3	2, 3	2, 3	I/O	充电器功率级输出和电池电压检测输入，连接到电池正极，需用4.7 - μF至47 - μF陶瓷电容旁路到VSS
CE	4	4	4	I	充电使能低电平有效输入，高电平禁用电池充电，OUT仍可供电
CHG	9	9	9	O	开漏充电状态指示输出，充电时拉低，充电完成或充电器禁用时为高阻态
EN1	6	6	6	I	输入电流限制配置输入，与EN2配合控制最大输入电流和USB兼容性
EN2	5	5	5	I	输入电流限制配置输入，与EN1配合控制最大输入电流和USB兼容性
ILIM	12	12	12	I	可调电流限制编程输入，连接1100 - Ω至8 - kΩ电阻到VSS可设置最大输入电流
IN	13	13	13	I	输入电源连接，连接到外部直流电源（AC适配器或USB端口）
ISET	16	16	16	I/O	快速充电电流编程输入，连接590 - Ω至8.9 - kΩ电阻到VSS可设置快速充电电流
ITERM	–	15	–	I	终止电流编程输入，连接0 - Ω至15 - kΩ电阻到VSS可设置终止电流
OUT	10, 11	10, 11	10, 11	O	系统电源输出，输入在OVP阈值和调节电压之间时提供稳压输出
PGOOD	7	7	7	O	开漏电源良好状态指示输出，检测到有效输入源时拉低，否则为高阻态
SYSOFF	–	–	15	I	系统使能输入，高电平断开电池与系统输出的连接，充电也会禁用
TD	15			I	终止禁用输入，高电平禁用充电器终止
TMR	14	14	14	I	定时器编程输入，控制预充电和快速充电安全定时器
TS	1	1	1	I	外部NTC热敏电阻输入，连接到电池组中的NTC热敏电阻
VSS	8	8	8		接地，连接到热焊盘和电路的接地轨

电气特性

BQ2407x系列芯片的电气特性涵盖了多个方面，包括绝对最大额定值、ESD额定值、推荐工作条件、热信息和电气特性等。以下是一些重要的电气特性参数：

• 绝对最大额定值：输入电压范围为 - 0.3 V至28 V，输入电流最大为1.6 A，输出电流连续为5 A，电池充电电流最大为1.5 A等。
• ESD额定值：人体模型（HBM）为±2000 V，带电设备模型（CDM）为±500 V。
• 推荐工作条件：输入电压范围为4.35 V至26 V，输入电流最大为1.5 A，输出电流最大为4.5 A，电池充电电流最大为1.5 A等。
• 热信息：结到环境的热阻为44.5 °C/W，结到外壳（顶部）的热阻为54.2 °C/W，结到电路板的热阻为17.2 °C/W等。

详细功能描述

欠压锁定（UVLO）

当IN引脚的输入电压低于欠压阈值（UVLO）时，芯片处于掉电模式，此时控制输入（CE、EN1和EN2）的主机命令被忽略，IN和OUT引脚之间的Q1 FET关闭，CHG和PGOOD状态输出为高阻态，连接BAT和OUT的Q2 FET开启（SYSOFF为高时Q2关闭），同时(V_{OUT(SC2)})电路会监测OUT的过载情况。

上电

当(V{IN})超过UVLO阈值时，芯片上电。在(V{IN})低于(V{BAT}+V{IN(DT)})时，控制输入的主机命令仍被忽略，Q1 FET关闭，CHG和PGOOD为高阻态，Q2 FET开启（SYSOFF为高时Q2关闭），(V{OUT(SC2)})电路监测OUT的过载情况。当(V{IN})上升到(V{BAT}+V{IN(DT)})以上时，PGOOD拉低表示有效电源状态，读取CE、EN1和EN2输入。如果((EN1 = EN2 = HI))或出现输入过压情况，芯片进入待机模式，此时Q1关闭，Q2开启，OUT连接到电池输入（SYSOFF为高时Q2关闭），(V{OUT(SC2)})电路继续监测OUT的过载情况。当输入电压在有效范围内且USB暂停模式未启用时，激活所有内部定时器和其他电路块，检查ISET和ILIM引脚是否短路，若无短路则以100 mA电流限制开启输入FET Q1检查OUT是否短路，当(V{OUT})高于(V{O(SC1)})时，Q1切换到由EN1、EN2和(R{ILIM})设置的电流限制阈值，芯片进入正常工作模式。

过压保护（OVP）

芯片可承受高达28 V的输入电压而不损坏。当(V{IN}>V{OVP})且持续时间超过(t_{DGL(OVP)})时，过压保护（OVP）电路会关闭内部LDO并停止充电，此时系统输出（OUT）连接到电池，PGOOD为高阻态。当OVP条件消除后，将启动新的上电序列，安全定时器重置，CHG输出将指示新的充电周期。

动态功率路径管理

输入源连接时

芯片的动态功率路径管理（DPPM）电路会持续监测输入电流。BQ24073/74/75/79的OUT输出被调节到固定电压((V{O(REG)}))，BQ24072的OUT输出被调节到比BAT电压高200 mV，当BAT电压低于3.2 V时，OUT被钳位到3.4 V，以确保系统负载在电池放电时能正常启动。输入电流在为电池充电和为系统负载供电之间分配，芯片具有内部可选的100 mA（USB100）和500 mA（USB500）输入电流限制，以及通过电阻可编程的输入电流限制。输入电流限制由EN1和EN2引脚的状态控制，使用电阻可编程电流限制时，输入电流限制由连接在ILIM引脚和VSS之间的电阻值决定，计算公式为(I{IN - MAX}=K{ILIM}/R{ILIM})，输入电流限制可调至1.5 A，有效电阻范围为1.1 kΩ至8 kΩ。当IN源连接时，系统负载优先，采用DPPM和电池补充模式来维持系统负载。

• 输入DPM模式（(V_{IN}) - DPM）：当EN1和EN2配置为USB100或USB500模式时，监测输入电压。如果(V{IN})降至(V{IN - DPM})，则降低输入电流限制，防止输入电压进一步下降，避免芯片损坏设计不良或配置不当的USB源。
• DPPM模式：当充电和系统负载电流之和超过最大输入电流（由EN1、EN2和ILIM引脚编程）时，OUT引脚电压下降。当OUT引脚电压降至(V_{DPPM})时，芯片进入DPPM模式，此时充电电流随着OUT电流的增加而减小，以维持系统输出，电池终止在DPPM模式下被禁用。
• 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，OUT电压进一步降低。当OUT电压低于(V{BSUP1})阈值时，电池为系统负载补充电流；当OUT电压上升到(V{BSUP2})阈值以上时，电池停止补充电流。在补充模式下，电池补充电流不受调节（BAT - FET完全导通），但有短路保护电路。如果在电池补充模式下，OUT电压低于BAT电压(V{O(SC2)})且过载持续(t{DGL(SC2)})后，OUT输出将关闭，短路恢复定时器开始计数，经过(t_{REC(SC2)})后，OUT尝试重新启动，若短路仍然存在，OUT将再次关闭，计数器重新开始计数，电池终止在补充模式下被禁用。

输入源未连接时

当IN输入没有连接源时，OUT完全由电池供电，此时进入类似电池补充模式，但电流不受调节，短路电路仍然有效。如果OUT电压低于BAT电压250 mV且持续时间超过(t{DGL(SC2)})，OUT将关闭，短路恢复定时器开始计数，经过(t{REC(SC2)})后，OUT尝试重新启动，若短路仍然存在，OUT将再次关闭，如此循环直到过载条件消除。

电池充电

将CE置低可启动电池充电。首先，芯片通过向电池提供(I{BAT(SC)})电流并监测电压来检查BAT引脚是否短路，当BAT电压超过(V{BAT(SC)})时，开始电池充电。电池充电分为三个阶段：预充电、恒流快速充电（电流调节）和恒压充电（电压调节）。在所有充电阶段，内部控制环路会监测IC结温，若超过内部温度阈值则降低充电电流。

• 预充电阶段：以预充电电流（(I{PRECHG})）为电池充电，当电池电压超过(V{LOWV})阈值后，进入快速充电阶段。
• 快速充电阶段：以快速充电电流（(I{CHG})）为电池充电，快速充电电流由连接在ISET引脚和VSS之间的电阻决定，计算公式为(I{CHG}=K{ISET}/R{ISET})，充电电流限制可调至1.5 A，有效电阻范围为590 Ω至8.9 kΩ。
• 恒压充电阶段：当电池电压达到(V{BAT(REG)})时，电池保持在恒定电压(V{BAT(REG)})，充电电流逐渐减小，当电池电流达到(I{TERM})时，CHG引脚变为高阻态，表示充电完成。需要注意的是，当由于热环路、DPPM环路或(V{IN - DPM})环路的作用导致充电速率降低时，终止检测将被禁用。

可调终止阈值（ITERM输入，BQ24074）

BQ24074的终止电流阈值可由用户编程。通过连接一个电阻从ITERM到VSS来设置终止电流，在USB100模式（(EN1 = EN2 = Low)）下，终止电流值计算公式为(I{TERM}=0.01×R{ITERM}/R{ISET})；在其他输入电流限制模式（(EN1 ≠ EN2)）下，终止电流值计算公式为(I{TERM}=0.03×R{ITERM}/R{ISET})。终止电流可编程至快速充电电流的50%，(R_{ITERM})电阻必须小于15 kΩ，若不连接ITERM，则选择默认的内部设置终止电流。

终止禁用（TD输入，BQ24072，BQ24073）

BQ24072和BQ24073包含一个TD输入，可用于启用/禁用充电终止。将TD连接到逻辑高电平可禁用充电终止，此时设备将经过预充电、快速充电和恒压阶段，然后保持在恒压阶段，充电器将输出电压保持在BAT等于(V{BAT(REG)})，充电电流不会终止，充电电流由(I{CHG})或(I{IN max})中较小的值决定，不进行电池检测。当电流低于(I{TERM})时，CHG输出变为高阻态，直到输入电源或CE被切换才会再次变低。当终止被禁用时，预充电和快速充电安全定时器也会被禁用。如果TD引脚为高电平且TS引脚未连接或上拉到(V_{IN})，则电池组温度感应（TS引脚功能）将被禁用。

电池检测和再充电

芯片会自动检测电池是否连接或移除。充电周期完成后，会监测电池电压。当电池电压低于(V{RCH})时，运行电池检测程序。在电池检测期间，从电池中抽取电流（(I{BAT(DET)})）持续(t{DET})时间，观察BAT电压是否低于(V{LOWV})，若不低于则开始充电，若低于则表示电池缺失或保护器断开。然后施加预充电电流(t{DET})时间，尝试闭合保护器。若(V{BAT}{RCH})，则保护器闭合并开始充电；若(V{BAT}>V_{RCH})，则确定电池缺失，继续进行检测程序。

电池断开（SYSOFF输入，BQ24075，BQ24079）

BQ24075和BQ24079具有SYSOFF输入，可用于关闭FET Q2，断开电池与OUT引脚的连接。这对于将系统负载与电池断开、工厂编程（无电池安装）或主机侧阻抗跟踪电量计（如bq27500）非常有用，因为在电池充电或放电之前需要检测电池开路电压。当SYSOFF为高电平时，/CHG输出保持低电平。将SYSOFF连接到VSS可开启Q2以进行正常操作，SYSOFF通过约5 MΩ电阻内部上拉到(V_{BAT})。

动态充电定时器（TMR输入）

芯片包含用于预充电和快速充电阶段的内部安全定时器，以防止电池和系统受到潜在损坏。定时器在相应的充电周期开始时启动，定时器值通过连接一个电阻从TMR到