BQ25890/2：高性能单节电池充电管理芯片解析

在当今的电子设备领域，电池充电管理至关重要。TI的BQ25890/2芯片凭借其卓越的性能，成为单节锂离子和锂聚合物电池充电管理的理想选择。今天，我们就来深入了解一下这款芯片。

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芯片概述

BQ25890和BQ25892是高度集成的5A开关模式电池充电管理和系统电源路径管理设备，专为单节锂离子和锂聚合物电池设计。它们支持高输入电压快速充电，低阻抗电源路径优化了开关模式操作效率，减少了电池充电时间，并在放电阶段延长了电池寿命。

主要特性

1. 高效充电：采用1.5MHz开关模式降压充电，在2A充电电流下充电效率达93%，3A时为91%。支持9V - 12V高压输入，轻载时采用低功耗PFM模式。
2. USB OTG功能：输出电压可在4.5V - 5.5V之间调节，支持500kHz和1.5MHz升压转换，最大输出电流可达2.4A，在5V、1A输出时升压效率为93%，还具备精确的打嗝模式过流保护。
3. 宽输入范围：单输入支持USB输入和可调高压适配器，输入电压范围为3.9V - 14V，输入电流限制在100mA - 3.25A之间，分辨率为50mA，支持USB2.0、USB3.0标准和高压适配器。
4. 智能功能：具备输入电流优化器（ICO），可在不使适配器过载的情况下最大化输入功率；电阻补偿（IRCOMP）功能可从充电器输出到电池端子进行补偿；集成ADC用于系统监控（电压、温度、充电电流）。
5. 安全可靠：具备电池温度传感功能，用于充电和升压模式，有热调节和热关断保护；充电电压调节精度为±0.5%，充电电流调节精度为±5%，输入电流调节精度为±7.5%。

应用场景

BQ25890/2适用于多种电子设备，如智能手机、平板电脑和便携式互联网设备等，能满足这些设备对快速充电和高效电源管理的需求。

详细功能解析

电源启动与输入源检测

1. 设备上电复位（POR）：内部偏置电路由VBUS和BAT中较高的电压供电。当VBUS高于 (V_{VBUSUVLOZ}) 或BAT高于 (V{BAT_UVLOZ}) 时，睡眠比较器、电池耗尽比较器和BATFET驱动器激活，I2C接口准备好通信，所有寄存器复位为默认值。
2. 输入源检测：插入输入源时，设备检查输入源电压以开启REGN LDO和所有偏置电路。BQ25890通过USB D+/D-线检测输入源类型，支持MaxCharge™握手；BQ25892则通过PSEL和OTG引脚设置输入电流限制。检测完成后，INT脉冲通知主机，同时更新相关寄存器和引脚状态。

充电管理

1. 自主充电周期：在电池充电启用（CHG_CONFIG位 = 1且CE引脚为低）的情况下，设备可自主完成充电周期。默认充电参数包括充电电压4.208V、充电电流2.048A、预充电电流128mA、终止电流256mA等。当充电电流低于终止阈值、充电电压高于再充电阈值且设备不在DPM模式或热调节模式时，充电周期自动终止。
2. 充电阶段：电池充电分为预调节、恒流和恒压三个阶段。根据电池电压不同，充电电流会相应调整。例如，当电池电压低于2V时，电流为 (I{BATSHORT}) ；2V - 3V时为预充电电流 (I{PRECHG}) ；高于3V时为快速充电电流 (I_{CHG}) 。
3. 电阻补偿（IRCOMP）：对于大电流充电系统，芯片提供电阻补偿功能，可根据实际充电电流和电阻增加电压调节设定点，从而延长恒流充电时间，向电池输送最大功率。计算公式为 (V_{REGACTUAL }=VREG+min left(I{CHRG ACTUAL } × BATCOMP, V{CLAMP }right)) 。
4. 热敏电阻检测：芯片通过测量TS引脚和地之间的电压来监测电池温度，该电压通常由负温度系数热敏电阻（NTC）和外部分压器确定。根据温度不同，充电参数会相应调整，以符合JEITA指南要求。

电源路径管理

1. 窄VDC架构：采用NVDC架构，BATFET将系统与电池分开。即使电池完全耗尽，系统电压也能调节到最低系统电压（默认3.5V）以上。当电池电压低于最低系统电压设置时，BATFET工作在线性模式；当电池电压高于最低系统电压时，BATFET完全导通。
2. 动态功率管理（DPM）：持续监测输入电流和输入电压，当输入源过载时，即电流超过输入电流限制（IINLIM或IDPM_LIM）或电压低于输入电压限制（VINDPM），设备会降低充电电流，直到输入电流低于限制且输入电压高于限制。若充电电流降至零仍过载，系统电压开始下降，此时BATFET开启，电池开始放电，系统由输入源和电池共同供电。
3. 补充模式：当系统电压低于电池电压时，BATFET开启，其栅极被调节以保持最低 (V{DS}) 为30mV，防止振荡。随着放电电流增加，BATFET栅极电压升高以降低 (R{DS(ON)}) ，直到完全导通。

升压模式操作

芯片支持升压转换器操作，可将电池的功率通过USB端口输送到其他便携式设备。升压模式输出电流额定值满足USB On-The-Go 500mA（BOOSTLIM位 = 000）输出要求，最大输出电流可达2.4A。开启升压模式需满足一定条件，如BAT高于 (BAT {LOW }) 、VBUS小于 (BAT+V_{SLEEP}) 、升压模式操作启用（OTG引脚为高且OTG_CONFIG位 = 1）等。

安全保护

1. 热保护：在降压模式和升压模式下，芯片都会监测内部结温。当结温超过预设的热调节限制（TREG位）时，降低充电电流；当温度超过热关断温度 (T_{SHUT }) 时，关闭转换器和BATFET。
2. 过压和过流保护：包括输入过压（ACOV）、系统过压保护（SYSOVP）、电池过压保护（BATOVP）、VBUS过流保护和升压模式过压保护等。当检测到异常情况时，设备会采取相应措施，如停止开关、设置故障寄存器位并向主机发送INT脉冲。

I2C接口

芯片使用 (I^{2} C) 兼容接口进行灵活的充电参数编程和即时设备状态报告。 (I^{2} C) 是双向2线串行接口，设备作为目标设备，地址分别为6AH（BQ25890）和6BH（BQ25892）。支持标准模式（最高100kbits）和快速模式（最高400kbits）。

寄存器映射

BQ25890/2的寄存器用于配置和监控芯片的各种功能，包括输入电流限制、充电参数、升压模式设置、故障状态等。例如，REG00寄存器用于设置输入电流限制和HIZ模式；REG01寄存器用于设置升压模式的热温度监控阈值和输入电压限制偏移等。

应用设计

典型应用

典型应用中，芯片被配置为I2C控制的电源路径管理设备和单节电池充电器，适用于智能手机和其他便携式设备。设计时需考虑输入电压范围、输入电流限制、快速充电电流、输出电压等参数。

详细设计步骤

1. 电感选择：芯片的开关频率为1.5MHz，允许使用较小的电感和电容值。电感饱和电流应高于充电电流 (I{CHG}) 加上一半的纹波电流 (I{RIPPLE}) ，纹波电流可根据输入电压、占空比、开关频率和电感值计算。
2. 输入电容选择：输入电容应具有足够的纹波电流额定值，以吸收输入开关纹波电流。建议使用低ESR陶瓷电容，如X7R或X5R，并将其尽可能靠近PMID引脚和GND引脚连接。
3. 输出电容选择：输出电容同样需要足够的纹波电流额定值，以吸收输出开关纹波电流。为了获得良好的环路稳定性，建议使用1µH电感和至少20µF的输出电容，优选6V或更高额定电压的X7R或X5R陶瓷电容。

布局建议

合理的PCB布局对于芯片的性能至关重要。应尽量减少开关节点的上升和下降时间，以降低开关损耗。具体布局建议包括：

1. 将输入电容尽可能靠近PMID引脚和GND引脚连接，使用最短的铜迹线或GND平面。
2. 将电感输入端子尽可能靠近SW引脚，减少该迹线的铜面积以降低电磁辐射，但要保证迹线足够宽以承载充电电流，避免使用多层并行连接，减少该区域与其他迹线或平面的寄生电容。
3. 将输出电容放置在靠近电感和IC的位置，接地连接应通过短铜迹线或GND平面连接到IC接地。
4. 模拟地和电源地应分开布线，然后通过电源焊盘或0Ω电阻连接在一起。
5. 使用单一接地连接将充电器电源地和充电器模拟地连接起来，避免电源引脚以减少电感和电容噪声耦合。
6. 去耦电容应放置在IC引脚旁边，并使迹线连接尽可能短。
7. 确保IC封装背面的暴露电源焊盘焊接到PCB接地，并在IC下方设置足够的热过孔连接到其他层的接地平面。
8. 过孔的尺寸和数量应满足给定电流路径的要求。

总之，BQ25890/2芯片以其丰富的功能、高效的性能和可靠的安全保护，为单节电池充电管理提供了优秀的解决方案。电子工程师在设计相关产品时，可根据实际需求合理配置芯片的各项参数，并遵循布局建议，以实现最佳的充电效果和系统性能。你在使用BQ25890/2芯片的过程中遇到过哪些问题呢？欢迎在评论区分享交流。