深入解析 bq24004/5/6 双节锂离子充电器评估模块

一、引言

在如今高度集成且对空间要求苛刻的电子设备中，高效的电池充电管理至关重要。TI 的 bq24004/5/6 系列 IC 为双节锂离子电池充电提供了先进的线性充电管理解决方案。本文将详细介绍其评估模块（SLUP051），帮助电子工程师更好地了解和应用这一产品。

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二、bq24004/5/6 系列 IC 背景

2.1 功能集成

bq24004/5/6 系列 IC 是专为高度集成和空间受限的应用而设计的先进锂离子线性充电管理设备。它将高精度的电流和电压调节、FET 传输晶体管和反向阻断肖特基二极管、电池调节、温度或输入电源监测、充电终止、充电状态指示以及充电定时器等功能集成在一个小巧的 20 引脚 TSSOP PowerPAD 封装中。

2.2 充电过程

该系列 IC 会使用外部热敏电阻持续测量电池温度。出于安全考虑，在电池温度未达到用户定义的阈值之前，IC 会禁止充电。用户也可以通过监测输入电压来确定是否开始充电。充电过程分为三个阶段：

• 预调节阶段：如果电池电压低于内部低压阈值，IC 会采用涓流充电来调节电池，并设有预调节定时器以增加安全性。
• 恒流阶段：预调节完成后，IC 会向电池施加恒定的充电电流，电流大小由外部感测电阻设置。此阶段会持续到电池达到充电调节电压。
• 恒压阶段：之后，IC 会进入恒压阶段。用户可以根据电池阳极材料（焦炭或石墨）来配置设备。

2.3 充电终止方法

充电可以通过以下两种方法终止：

• 最大时间：达到预设的最大充电时间后停止充电。
• 最小电流检测加 23 分钟超时：当检测到充电电流降至最小值，并在 23 分钟后停止充电。

三、性能规格总结

规格	测试条件	最小值	典型值	最大值	单位
输入直流电压 (V_{DC})		9.1	9.5	†	V
电池充电电流 (I_{CHG})		0.9	1	1.1	A
电池电压调节 (V{REG})（J6 设为 (V{CC})）		8.35	8.40	8.45	V
电池电压调节 (V_{REG})（J6 设为 GND）		8.15	8.20	8.25	V
热故障（高 (T_{BATMAX})，J2 设为 Therm）		43	48	53	°C
热故障（低 (T_{BATMIN})，J2 设为 Therm）		0	5	10	°C
APG（用户定义，J2 设为 APG）			‡
功率耗散 (P_{D})	((V{I}-V{O}) × I_{load})			2.3	W

对于 2 节电池，1A 充电速率时输入电压不应超过 9.1V，0.5A 充电速率时不应超过 10.6V。如果 J2 设为 APG，当输入电压超出 4.02V±0.07V 和 10.76V ±0.09V 范围时，芯片将被禁用。此外，当电池电压低于内部再充电阈值时，bq24004/5/6 会自动重新开始充电。

四、测试总结

4.1 测试设置

• 电源要求：bq24004/5/6 EVM 板需要一个 9 - 10VDC、≥1.1A 的直流电源提供输入功率，以及一个双节锂离子或锂聚合物电池进行充电。将电源调整到 9.1 ±0.1V，并将电流限制设置为 1.3A ±0.2A，然后关闭电源。

• I/O 连接：	插孔	连接到
  J1 – (V_{CC})	电源正极输出
  J1 – DC–	电源负极输出
  J7 – BAT+	双节锂离子电池正极
  J7 – BAT–	双节锂离子电池负极
  J7 – VSENSE	电池正极
  J8 – THERM	电池组中的热敏电阻引脚
  J8 – DC–	热敏电阻另一引脚（可能与 BAT– 为同一根线）

• 跳线选择配置：	跳线	选择
  J2	适配器电源正常（APG）或电池热敏电阻（APG /THRM）
  J3	启用，开或关
  J4	每节电池调节电压，4.2V 或 4.1V
  J5	定时器，3 小时（浮动，无跳线）、4.5 小时或 6 小时
  J6	Stat2 绿色二极管，用于 bq24005/6 的跳线

4.2 测试程序

• 功率验证：在测试和评估之前，要确保 IC 上的最大功率耗散不超过 (P{max}=2.3W)。对于 2 节电池，功率耗散计算公式为 (P{diss, 2 cell}=(V{I}-6.8V) × I{CHG})，其中 (V{I}=V{CC}-0.1V)。在 1A 充电速率下，电池组电压为 6V 时，功率耗散在电池组充电到 6.8V 之前会暂时高达 3.1W，但在短时间（约 1 分钟）内是可以接受的。
• 充电模式测试：
  • 预调节模式：将输入电源调整到 9.1V，如果电池电压低于 LowV 阈值，bq24004/5/6 会进入预调节模式，以约 65mA 的电流涓流充电约 23 分钟。如果在此期间电池未达到 LowV 阈值，充电电流将终止，IC 进入故障模式，红色 LED 闪烁。可以通过移除输入电源，用 30 - 40Ω 的电阻代替电池，然后施加电源超过 23 分钟来测试此功能。通过切换输入电源或启用引脚可以重置故障模式。
  • 快速充电模式：当电池充电到 LowV - stop 阈值时，进入快速充电模式，以编程的 1A 水平充电。可以通过调整 (R3=frac{0.10V}{I_{chg}}) 来改变充电水平。电池将保持快速充电模式，直到所选时间到期或电池充电到所选的调节电压。可以使用 25 - 28Ω、5W 的电阻代替电池来测试超时功能。
  • 刷新功能测试：当电池放电到 HighV 阈值时，充电器会开始快速充电。可以通过将电池充电至完成（Iterm + 23 分钟），然后在不断开电池的情况下，并联一个 8 - 10Ω、10W 的电阻来测试此功能。当达到 HIGHV 阈值时，调节器应开始充电。需要注意的是，LED 熄灭后电池仍会继续充电 23 分钟，如果在这 23 分钟内施加负载（>Iterm），则会重置 23 分钟定时器。
  • 过压保护测试：电路设有过压比较器以提供额外保护。如果电池电压超过阈值 330ms，充电器将进入故障模式。可以通过用外部电源代替电池，并将电压调整到阈值以上来测试此功能。

五、物理布局

本文提供了 SLUP051 板的布局和组装图，包括顶层、底层和顶层组装视图，有助于工程师进行实际的硬件设计和组装。

六、物料清单

6.1 详细清单

项目编号	–001 bq24004	–002 bq24005	–003 bq24006	参考编号	描述	尺寸	制造商	零件编号
1	2	2	2	C1, C4	钽电容，10µF，16V	1210	松下	ECS–T1CX106R
2	1	1	1	C2	陶瓷电容，0.1µF，16V X7R	805	松下	ECJ–2VB1C104K
3	1	1	1	C3	陶瓷电容，0.22µF，16V X7R	805	松下	ECJ–2VB1C224K
4	1	1	1	C5	陶瓷电容，10pF，50V，NPO，1%	603	松下	ECJ–1VC1H100D
5	1	1	0	D1	红色 LED，最大 20mA		松下	LN1271R–(TR)
6	0	1	0	D2	绿色 LED，最大 20mA		松下	D–LN1371G–(TR)
7	0	0	1	U2	双色 LED，红/绿，最大 20mA		芝加哥微型灯	CMD67–22SRUGC/TR8
8	2	2	2	J1, J10	2 引脚端子块，6A，3.5mm	75525	OST	ED1514
9	4	4	4	J2, J3, J4, J5	3 引脚插头，100 密耳间距（36 引脚条）	34100	Sullins	PTC36SAAN
10	0	1	1	J6	2 引脚插头，100 密耳间距（36 引脚条）	23100	Sullins	PTC36SAAN
11	1	1	1	J7	3 引脚端子块，6A，3.5mm	112625	OST	ED1515
12	1	1	1	R1	贴片电阻，51.1kΩ，1/16W，1%	603	Std	Std
13	1	1	1	R10	贴片电阻，10MΩ，1/16W，1%	603	Std	Std
14	1	1	1	R2	贴片电阻，316kΩ，1/16W，1%	603	Std	Std
15	1	1	1	R3	贴片电阻，0.1Ω，1/8W	1206	松下	ERJ–8RSJR10
16	1	1	1	R5	贴片电阻，18.7kΩ，1/16W，1%	603	Std	Std
17	2	2	2	R6, R8	贴片电阻，1kΩ，1/16W，1%	603	Std	Std
18	1	1	1	R7	贴片电阻，95.3kΩ，1/16W，1%	603	Std	Std
19	1	1	1	R9	贴片电阻，2kΩ，1/16W，1%	603	Std	Std
20	1	0	0	U1	双节锂离子充电器 IC，1 个 LED	20 引脚 TSSOP	TI	bq24004PWP
21	0	1	0	U1	双节锂离子充电器 IC，2 个 LED	20 引脚 TSSOP	TI	bq24005PWP
22	0	0	1	U1	双节锂离子充电器 IC，双色 LED	20 引脚 TSSOP	TI	bq24006PWP
23	1	1	1	PWB	印刷电路板，bq24004/5/6PWP (SLUP051)–EVM		TI	SLUP051 Rev. A
24	4	5	5	分流器	J2 - J6 插头的分流器，4 到 5 个	0.1”	Sullins 电子公司	SPC02SYAN

6.2 组装注意事项

组装时，需要将分流器应用到 J2–APG、J3–ON、J4–4.2V、J5–4.5Hr，如果需要还应应用到 J6。

七、总结

通过对 bq24004/5/6 双节锂离子充电器评估模块的详细介绍，我们了解了其功能特点、性能规格、测试方法、物理布局和物料清单。对于电子工程师来说，这一模块为双节锂离子电池充电管理提供了一个方便、可靠的解决方案。在实际应用中，工程师可以根据具体需求进行适当的配置和调整，以实现最佳的充电效果。大家在使用过程中是否遇到过类似充电管理模块的问题呢？欢迎在评论区分享交流。