600-kHz同步开关模式锂离子和锂聚合物电池充电器设计解析

在电子设备的设计中，电池充电器的性能至关重要。今天我们来深入探讨德州仪器（Texas Instruments）的600-kHz同步开关模式锂离子和锂聚合物主机控制电池充电器，特别是bq24130评估模块（EVM）的相关设计。

文件下载：BQ24130EVM.pdf

一、EVM特性与概述

1.1 EVM特性

• 评估模块：bq24130评估模块为工程师提供了一个便捷的测试平台。
• 同步开关模式充电：采用同步开关模式进行电池充电，由主机控制充电过程。
• 集成MOSFET：集成了20V的N-MOSFETs，减少了外部元件的使用。
• 电池电压设置：CELL引脚可设置高达12.6V的电池电压，支持1、2或3节4.2V/节的电池。
• 输入范围：输入工作范围为5.5V - 17V，适应多种电源。
• LED指示：通过LED指示充电状态，方便用户了解充电情况。
• 测试点与跳线：提供关键信号的测试点，便于测试；同时有跳线可轻松更改设置。

1.2 总体描述

bq24130是高度集成的主机控制锂离子和锂聚合物开关模式电池充电控制器，集成了两个N沟道功率MOSFET。它具有恒定频率的同步PWM控制器，能高精度调节充电电流和电压，并提供充电状态监测功能。当输入电压低于电池电压时，bq24130会自动进入低静态电流睡眠模式。它可对1、2或3节电池（通过CELL引脚选择）进行充电，支持高达4A的充电电流，采用20引脚、3.5 × 4.5 (mm^{2})的薄QFN封装。

二、I/O描述与参数设置

2.1 I/O描述

Jack	Description
J1 – VIN	正输入
J1 – PGND	负输入
J2 – VBAT	连接到充电器输出
J2 – PGND	接地
J3 – CMOD	充电模式选择
J3 – CE	充电使能
J3 – TS_EXT	温度限定电压输入

2.2 控制和关键参数设置

Jack	Description	Factory Setting
JP1	选择外部TS输入或内部有效TS设置 IN 1 - 2 : 外部TS输入 IN 2 - 3 : 内部有效TS设置	Jumper ON 1 - 2 (外部TS)
JP2	当JP5 ON时，上拉电源为LED供电；JP5 OFF时，LED无电源	Jumper ON (LED电源可用)
JP3	CELL选择 IN 2 - 3 : CELL - GND, 1CELL IN 2 - 1 : CELL - VREF, 3CELL IN OPEN: CELL - FLOAT, 2CELL	Jumper ON 2 - 1 (3 CELL)
JP4	充电模式选择： IN ON: CMOD - GND用于由ISET2设置的预充电 IN OFF: CMOD - VREF用于由ISET1设置的快速充电	Jumper ON (预充电设置)
JP5	充电器启用/禁用设置。当JP5 OPEN时，ISET拉到GND，充电器禁用；JP5 ON时，充电器启用	Jumper OPEN (禁用充电器)

2.3 推荐工作条件

Symbol	Description	Min	Typ	Max	Unit	Notes
Supply voltage, V BUS	输入电压	5.5		17	V
Battery voltage, V BAT	施加在J2的VBAT端子上的电压	0		12.6	V
Supply current	最大输入电流	0		4	A
Charge current, I chrg	电池充电电流	0	2	4	A
Operating junction temperature range, T J		0		125	°C

bq24130 EVM板需要一个稳压电源，其电压比电池组的稳压电压高约1V，最大输入电压为17VDC。通过CELL引脚选择电池节数，固定每节4.2V。CELL连接到AGND为1节电池，CELL引脚浮空为2节电池配置，连接到VREF为3节电池配置。CELL引脚调整从BAT引脚到AGND引脚的内部电阻分压器，用于电压反馈并调节到内部2.1V电压参考。

三、测试总结

3.1 测试定义

在测试过程中，遵循了一系列命名约定，如VXX表示外部电压供应名称，LOADW表示外部负载名称等。同时，装配图提供了跳线、测试点和各个组件的位置信息。

3.2 安全、质量与着装要求

• 安全：测试人员需佩戴安全眼镜，由具备电子理论知识并了解测试组件风险和危害的合格人员进行测试。操作电子组件时要遵循ESD预防措施，避免触摸测试过程中可能发热或有电击危险的区域。
• 质量：德州仪器应应要求提供测试数据。
• 着装：测试人员需穿着静电工作服、佩戴静电手套或指套、安全眼镜和接地ESD腕带。

3.3 测试设备

• 电源：需要一个能够提供30V、5A的电源（PS#1）。
• 负载：一个20V（或以上）、3A（或以上）的电子负载，可在恒流和恒压模式下运行。
• 仪表：五个Fluke 75万用表（或等效或更好的仪表），也可以是四个等效电压表和三个等效电流表，电流表必须能够测量5A以上的电流。

3.4 设备设置

• 设置电源PS#1为16V ± 200mV，2A ± 0.1A电流限制，然后关闭电源。
• 将PS#1的输出与一个电流表（万用表）串联连接到J1（VIN, GND）。
• 在J1（VIN, PGND）两端连接一个电压表。
• 将负载#1与一个电流表串联连接到J2（VBAT, PGND），关闭负载#1。
• 在J2（VBAT, PGND）两端连接一个电压表。
• 检查所有跳线分流器，设置JP1连接1 - 2（外部TS）；JP2 ON；JP3连接1 - 2（3节电池）；JP4 ON；JP5 OPEN。

3.5 测试过程

1. 断开负载并开启电源：断开LOAD #1，开启PS#1，测量相关电压值。
2. 充电器启用：连接JP1的2 - 3（内部TS），短接JP4（充电器启用），测量相关电压值。
3. 充电电压设置：连接JP3的2 - 3，测量J2（VBAT）电压；断开JP3，再次测量J2（VBAT）电压。
4. 充电电流调节和电池温度限定：重新连接JP3的1 - 2，重新连接LOAD#1并开启，使用恒压模式，设置输出电压为10V，测量相关电流值，并观察LED状态。
5. 充电电压调节：观察I(J2(VBAT))从2A下降，同时V(J2(VBAT))保持恒定。
6. 测试完成：关闭电源，移除被测单元的所有连接。

四、PCB布局指南

1. 散热处理：BQ24130封装背面的裸露散热垫必须焊接到PCB接地层，确保IC下方有足够的热过孔连接到其他层的接地平面。
2. 布线分离：控制级和功率级应分开布线，每层的信号地和功率地仅在散热垫处连接。
3. 电流检测电阻：充电电流检测电阻必须通过开尔文接触连接到SRP和SRN，尽量减小该回路的面积，这些引脚的去耦电容应尽可能靠近IC放置。
4. 去耦电容：VREF、AVCC、REGN的去耦电容应使与IC的互连尽可能短；BAT的去耦电容应靠近相应的IC引脚，并使与IC的互连尽可能短；充电器输入的去耦电容必须非常靠近SW和PGND放置。
5. 参考设计：可参考EVM布局进行设计。

五、物料清单、电路板布局和原理图

5.1 物料清单

物料清单详细列出了电路板上使用的各种元件，包括电容、电阻、二极管、MOSFET、电感、连接器等，以及它们的数量、参考编号、值、描述、尺寸、零件编号和制造商等信息。

5.2 电路板布局

提供了电路板的顶层组件、顶层、第二层、第三层、底层组件和底层的布局图，为工程师进行电路板设计提供了直观的参考。

5.3 原理图

给出了bq24130 EVM的原理图，有助于工程师理解电路的工作原理和信号流向。

六、重要注意事项

该评估板仅用于工程开发、演示或评估目的，并非适合一般消费者使用的成品。它可能不符合欧盟关于电磁兼容性、有害物质限制（RoHS）、回收（WEEE）、FCC、CE或UL等指令的技术要求。使用时需注意输入和输出电压范围，避免超出范围导致意外操作或不可逆损坏。同时，正常运行时部分电路组件的外壳温度可能高于60°C，甚至某些组件在125°C以上仍能正常工作，操作时需注意避免触摸过热的组件。

在实际设计中，电子工程师需要综合考虑以上各个方面，确保电池充电器的性能和安全性。大家在使用bq24130进行设计时，有没有遇到过什么特别的问题呢？欢迎在评论区分享交流。