深入解析bq2407x：单芯片锂离子充电与系统电源路径管理IC

在当今的便携式电子设备领域，高效且紧凑的电源管理解决方案至关重要。TI的bq2407x系列单芯片锂离子充电与系统电源路径管理IC，正是满足这一需求的理想选择。今天，我们就来深入了解一下这款IC的特点、应用及设计要点。

文件下载：BQ24071EVM.pdf

1. 产品概述

bq2407x系列包括bq24070和bq24071两款产品，它们采用了3.5mm × 4.5mm的小型VQFN封装，专为单节锂离子或锂聚合物便携式应用而设计。该系列IC集成了动态电源路径管理（DPPM）功能，允许交流适配器同时为系统供电和为电池充电，还具备电源补充模式，使电池能够补充交流输入电流，并且支持高达2A的总电流。

1.1 主要特性

• 小巧封装：3.5mm × 4.5mm的VQFN封装，节省空间，适合空间受限的便携式应用。
• 电源路径管理：集成DPPM功能，可优化电源分配，降低电池的充放电循环次数，延长电池寿命。
• 多种保护功能：具备反向电流、短路和热保护，确保系统的安全性和稳定性。
• 状态输出：提供充电状态输出和电源良好状态输出，方便用户监控充电和故障情况。
• 电压调节选项：提供4.4V和6V的系统输出调节电压选项，满足不同应用的需求。

1.2 应用领域

• 智能手机和PDA：为移动设备提供高效的充电和电源管理解决方案。
• MP3播放器：确保设备在充电时能够正常工作，延长电池续航时间。
• 数码相机和手持设备：满足设备对快速充电和稳定电源的需求。
• 互联网设备：为网络设备提供可靠的电源支持。

2. 详细特性分析

2.1 电源路径管理

bq2407x能够在为电池充电的同时为系统供电，减少了电池的充放电循环次数，允许系统在电池缺失或有缺陷的情况下正常运行。在IN模式（Mode = High）下，系统负载直接由交流适配器通过内部晶体管Q1供电，输出电压调节为4.4V（bq24070）。如果系统负载超过电源容量，输出电压将下降到电池电压。同时，电池通过开关Q2进行充电，充电速率由ISET1输入设置。

DPPM功能可监测输出电压，当输出电压因输入电流受限而下降到预设值时，会减少电池充电电流，直到输出电压停止下降。这一功能有诸多优势，例如允许设计师选择功率较低的壁式适配器，节省功率，以及在输出电压下降时维持系统电压。

在USB模式（Mode = Low）下，系统负载由USB端口通过内部开关Q1供电，Q1将总电流调节到ISET2输入选择的100mA或500mA水平，输出电压调节为4.4V（bq24070）。DPPM功能同样会通过减少充电电流来防止输出电压下降到编程阈值以下。

2.2 电池温度监测

bq2407x通过测量TS和VSS引脚之间的电压来持续监测电池温度。内部电流源为常见的10kΩ负温度系数热敏电阻（NTC）提供偏置。当检测到温度超出内部 (V{(LTF)}) 和 (V{(HTF)}) 阈值时，设备会立即暂停充电，直到温度恢复到正常范围。

2.3 充电状态输出

开放漏极（OD）的STAT1和STAT2输出可指示各种充电器操作，如预充电进行中、快速充电进行中、充电完成和充电暂停等状态。这些状态引脚可用于驱动LED或与主机处理器通信。

2.4 PG输出（电源良好）

开放漏极引脚PG用于指示输入电源是否存在且高于电池电压。当退出睡眠模式（输入电压高于电池电压）时，相应的输出变为ON（低）；在睡眠模式下，输出关闭（开放漏极）。该引脚可用于驱动LED或与主机处理器通信。

2.5 短路恢复

输出具备两种短路保护：输入短路保护和电池短路保护。当输出电压下降到约1V以下时，输入短路条件被触发，输入FET Q1关闭；当输出电压下降到电池电压以下200mV时，电池FET Q2被视为短路并关闭。恢复时，需要采取相应的措施，如应用上拉电阻或减少负载等。

2.6 VREF

VREF用于内部参考和补偿（典型值为3.3V），还可通过将TMR连接到VREF引脚来禁用安全定时器和终止功能。对于内部补偿，VREF引脚需要一个最小为0.1μF的陶瓷电容器，且该电容器不应超过1μF。

3. 设备功能模式

3.1 睡眠模式 - (V(IN)

当输入电源从电路中移除时，bq2407x充电器电路进入低功耗睡眠模式，防止在没有输入电源时电池向bq2407x放电。在睡眠模式下，Q2保持导通，以便电池继续为系统供电。

3.2 待机模式 - (V(IN) > V_{I(BAT)}) 且CE（芯片使能）引脚 = 低

CE数字输入用于禁用或启用IC。当CE引脚为低电平时，设备进入低功耗待机模式，内部功率FET Q1关闭，电池通过Q2和OUT引脚为系统供电，以限制从输入电源汲取的功率。

3.3 电池充电模式 - (V(IN)>V_{I(BAT)}) ，电池存在，CE引脚 = 高且DPPM引脚不浮空

• 自动电源选择和启动序列：MODE控制引脚用于选择输入源的优先级。当MODE引脚为高电平时，bq2407x以ISET1设置的充电速率从输入源充电；当MODE引脚为低电平时，默认采用USB充电，充电速率和电源电流由ISET2引脚限制。
• 充电控制：包括电池预充电、充电电流调节、电压调节、温度调节和热保护、充电定时器操作、定时器故障恢复以及充电终止和再充电等过程。

4. 应用与实现

4.1 应用信息

与没有动态电源路径管理（DPPM）的充电器相比，bq2407x单节锂离子电池充电器即使在电池深度放电的情况下也能提供即时系统电源。最大充电电流由ISET2设置，但输入电流限制电路（由ISET1和MODE引脚或DPPM电路控制）可以从最大期望充电电流中减少充电电流。

4.2 典型应用

以bq24070为例，设计要求为通过交流适配器供电，IN输入设置为约5.1V（1.5A电流限制）， (I{(CHG)}=1A) ， (V{(DPPM-SET)}=3.7V) ， (V{(DPPM-REG)}=1.15 × V{(DPPM-SET)}=4.26V) ，Mode = High，且不连接USB输入。详细设计过程包括选择合适的输入和输出电容器、计算 (R{SET}) 、 (R{TMR}) 和 (R_{DPPM}) 等参数。

5. 电源供应建议

IC需要一个能够提供4.35V至16V的VCC和至少100mA至2A电流的电源才能正常工作。为了使电池完全充电，电源必须能够提供至少 (V{O(BAT-REG)} + V{(BATDO)}) 的电压。随着输入电压的增加，IC的功耗也会增加，热保护环路会减少输入电流以防止IC损坏。

6. 布局设计

6.1 布局指南

为了获得最佳性能，应将输入端子到VSS的去耦电容器和OUT到VSS的输出滤波电容器尽可能靠近bq2407x放置，并确保信号和VSS引脚的走线短。同时，应将所有低电流VSS连接与电池的高电流充电或放电路径分开，采用单点接地技术。高电流充电路径的走线应根据最大充电电流进行适当尺寸设计，以避免电压降。

6.2 热考虑

bq2407x采用热增强型MLP封装，包括QFN热焊盘，可提供设备与印刷电路板（PCB）之间的有效热接触。热阻抗（ (theta_{JA}) ）是衡量封装热性能的常用指标，其值受多种因素影响，如设备是否安装在电路板上、走线尺寸、设备方向、环境空气体积和气流等。

7. 总结

bq2407x系列IC为单节锂离子或锂聚合物便携式应用提供了全面的电源管理解决方案。其集成的功能和紧凑的封装使其成为空间受限应用的理想选择。在设计过程中，我们需要充分考虑其特性和要求，合理选择电源、布局和参数，以确保系统的性能和稳定性。你在使用类似IC时遇到过哪些问题呢？欢迎在评论区分享你的经验和见解。