bq2461x/bq2463x EVM（HPA422）多节同步开关模式充电器评估板详解

在电子设备的设计中，电池充电管理是一个关键环节。德州仪器（TI）的bq2461x/bq2463x EVM（HPA422）多节同步开关模式充电器评估板为工程师提供了一个便捷的平台，用于评估和开发多节电池充电解决方案。今天，我们就来详细了解一下这个评估板。

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一、评估板简介

1.1 EVM 特性

• 适用芯片评估：专为bq2461x和bq2463x芯片设计的评估模块。
• 高效充电：采用高效同步降压充电器，能有效提高充电效率。
• 电压可编程：用户可将电池电压编程至最高 26V，满足不同电池的充电需求。
• 宽输入范围：AC 适配器的工作范围为 5V - 28V，适应多种电源输入。
• 状态指示：通过 LED 指示灯显示控制和状态信号，方便用户了解充电状态。
• 测试便捷：提供关键信号的测试点，便于探针连接进行测试；还设有跳线，方便更改连接。

1.2 总体描述

• 芯片功能：bq2461x 是高度集成的锂离子或锂聚合物开关模式电池充电控制器，bq2463x 则是专门为磷酸锂电池化学性质设计的高度集成开关模式电池充电控制器。它们提供恒定频率的同步 PWM 控制器，具有高精度的充电电流和电压调节、适配器电流调节、终止、充电预处理和充电状态监测等功能。
• 充电阶段：采用三阶段充电方式，即预处理、恒流和恒压。当电流达到用户可选择的最低水平时，充电终止。同时，可编程充电定时器为充电终止提供安全备份。
• 智能特性：具备动态功率管理（DPM）功能，可根据系统负载条件调整充电电流，避免 AC 适配器过载；高精度电流感应放大器能准确测量 AC 适配器电流，便于监测整个系统的功率。

1.3 I/O 描述

评估板的 I/O 接口丰富，通过不同的插孔实现各种功能。例如，J1 用于连接 AC 适配器，J2 可连接外部电源，J3 用于设置输入电流和充电电流等参数。具体的 I/O 描述如下表所示：	Jack	Description
J1–DCIN	AC 适配器，正输出
J1–GND	AC 适配器，负输出
J2–VEXT	外部电源，正输出
J2–GND	外部电源，负输出
J2–TTC	定时器电容引脚
J3–ACSET	输入电流编程引脚
J3–ISET1	充电电流编程引脚
J3–ISET2	预充电/终止编程引脚
J3–GND	接地
J–PG	电源良好（低电平有效）
J4–CHGEN	充电使能
J4–VREF	IC 参考电压 VREF
J4–TS	温度限定电压输入
J5–VSYS	连接到系统
J5–VBAT	连接到电池组
J5–GND	接地
JP1–LOW	接地
JP1–TTC	定时器电容引脚
JP1–HI	上拉电压源
JP2–HI	上拉电压源
JP2–LEDPWR	LED 上拉电源线
JP3–VREF	IC 参考电压 VREF
JP3–VPULLUP	上拉电压源
JP3–EXT	来自 J2 的外部电压源
JP4–VCC	ACDRV 和 BATDRV LED 逻辑电路的上拉电压源
JP4–VCOM	Q7 和 Q11 公共源
JP5–HI	上拉电压源
JP5–CHGEN	充电使能

1.4 控制和关键参数设置

评估板通过跳线设置控制和关键参数，不同的跳线位置对应不同的功能。例如，JP1 用于设置 TTC，不同的连接方式可实现不同的充电终止和安全定时器功能。具体的设置如下表所示：	Jack	Description	Factory Setting
JP1	TTC 设置 1 - 2 : 连接 TTC 到 GROUND（禁用终止和安全定时器） 2 - 3 : 连接 TTC 到 VPULLUP（允许终止，但禁用安全时间） 2 悬空: 允许终止，CTTC 设置安全定时器	跳线在 2 - 3（TTC 和 VPULLUP）
JP2	上拉电源为 LED 供电，打开时 LED 有电源，关闭时无电源	跳线打开
JP3	VPULLUP 设置 1 - 2 : 连接 VPULLUP 到 VREF 2 - 3 : 连接 VPULLUP 到 VEXT	跳线在 1 - 2（VPULLUP 和 VREF）
JP4	ACDRV 和 BATDRV LED 逻辑电路的上拉电压源	跳线打开
JP5	CHGEN 设置 跳线打开: CHGEN 连接到 VPULLUP 跳线关闭: CHGEN 通过下拉电阻设置为低电平	跳线关闭

1.5 推荐工作条件

评估板在一定的工作条件下才能稳定运行，推荐的工作条件如下表所示：	Symbol	Description	Min	Typ	Max	Unit
Supply voltage, V IN	来自 AC 适配器输入的电压	5	24	28 (610/616/63x) 24(617)	V
Battery voltage, V BAT	施加在 J5 的 VBAT 端子上的电压	2.1 (61x) 1.8 (63x)	21 (61x) 18 (63x)		V
Supply current, I AC	来自 AC 适配器输入的最大输入电流	0		4.5	A
Charge current, I chrg	电池充电电流	2	3	8	A
Operating junction temperature range, T J		0		125	°C

评估板需要一个调节后的电源，其电压比电池组的调节电压高约 0.5V，最大输入电压为 28VDC。

二、测试总结

2.1 定义

在测试过程中，遵循特定的命名约定。例如，VXXX 表示外部电压源名称，V(TPyyy) 表示内部测试点 TPyyy 的电压等。这些定义有助于准确描述测试过程和结果。

2.2 设备

测试需要多种设备，包括多个电源、负载、示波器和万用表等。具体设备要求如下：

• 电源：
  • 电源 #1（PS#1）：能够提供 30V、5A 的电源。
  • 电源 #2（PS#2）：能够提供 5V、1A 的电源。
  • 电源 #3（PS#3）：能够提供 5V、1A 的电源。
• 负载：
  • 负载 #1：一个 30V（或以上）、5A（或以上）的电子负载，可在恒流模式下运行。
  • 负载 #2：一个 Kepco 双极运算电源/放大器，0 ±30V（或以上），0 ±6A（或以上）。
• 示波器：Tektronix TDS3054 示波器或等效设备，10X 电压探头。
• 万用表：七个 Fluke 75 万用表（等效或更好），或者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。

2.3 设备设置

按照一定的步骤进行设备设置，确保测试的准确性和安全性。具体步骤如下：

1. 将电源 #1 设置为 0V ± 100mVDC，5.0 ± 0.1A 电流限制，然后关闭电源。
2. 将电源 #1 的输出与一个电流表（万用表）串联连接到 J1（VIN，GND）。
3. 在 J1（VIN，GND）两端连接一个电压表。
4. 将电源 #2 设置为 0V ± 100mVDC，1.0 ± 0.1A 电流限制，然后关闭电源。
5. 将电源 #2 的输出连接到 J4 和 J5（TS，GND）。
6. 将负载 #1 与一个电流表串联连接到 J5（SYS，GND），关闭负载 #1。
7. 将负载 #2 与一个电流表串联连接到 J5（BAT，GND），关闭负载 #2。
8. 在 J5（BAT，GND）两端连接一个电压表。
9. 将示波器的探头连接到 J5（BAT，GND）。
10. 在 J5（SYS，GND）两端连接一个电压表。
11. 将 JP1（TTC 和 HI）设置为 ON，JP2 设置为 ON，JP3（VPULLUP 和 VREF）设置为 ON，JP4 设置为 ON，JP5 设置为 OFF。

2.4 测试流程

2.4.1 AC 适配器检测阈值

1. 确保设备设置步骤已完成，打开 PS#2。
2. 打开 PS#1，测量相关电压：
   • (V(J 5(S Y S))=0 pm 500 mV)
   • (V(TP(VREF))=0 V pm 1000 mV)
   • (V(TP(REGN))=0 V pm 500 mV)
3. 增加 PS#1 的输出电压，直到 D5（PG）点亮，但不超过 5V。将电源 #2 设置为 1.8V ± 100mVDC，再次测量相关电压：
   • (V(J 1(VIN))=4.5 V pm 0.5 V)
   • (V(J 5(S Y S))=4.5 V pm 0.5 V)
   • (V(TP(VREF))=3.3 V pm 200 mV)
   • (V(TP(REGN))=0 V pm 500 mV) 同时，检查 D4 (/ACDRV) 和 D5（PG）是否点亮。

2.4.2 充电器调节电压

1. 增加 PS#1 的电压，直到 (V(J 1(V I N))=24 V pm 0.1 V)，测量 (V(J 5(B A T, G N D))=0 V pm 1 V)。
2. 打开 JP5（启用充电），观察 D3（CE）是否点亮。测量峰值电压：
   • (Peak V(J 5(BAT))=21.0 V pm 1 V)（bq2461x）
   • (Peak V(J5(BAT))=18.0 V pm 1 V)（bq2463x） 同时，测量 (V(T P(REGN))=6 V pm 500 mV)。

2.4.3 充电电流和 AC 电流调节（DPM）

1. 关闭 JP5（禁用充电）。
2. 将负载 #2 与一个电流表（万用表）串联连接到 J5（BAT，GND），确保在 J5（BAT，GND）两端连接一个电压表，打开负载 #2，将输出电压设置为 12V（bq2461x）或 2V（bq2463x）。
3. 将负载 #1 的输出与一个电流表（万用表）串联连接到 J5（SYS，GND），确保在 J5（SYS，GND）两端连接一个电压表，打开负载 #1 的电源，将负载电流设置为 3.0A ± 50mA，但禁用负载 #1。确保 (Ibat = 0A ± 10mA) 和 (Isys = 0A ± 10mA)。
4. 打开 JP5（启用充电），观察 D3（CE）是否点亮，测量充电电流：
   • (lbat =300 mA pm 200 mA)（bq2461x）
   • (lbat =125 mA pm 60 mA)（bq2463x） 同时，观察 D7（STAT1）和 D8（STAT2）的状态。
5. 将负载 #2 的输出电压设置为 16.5V，测量充电电流 (lbat =3000 mA pm 300 mA)，观察 D7（STAT1）和 D8（STAT2）的状态。
6. 启用负载 #1 的输出，测量 (Isys =3000 mA pm 200 mA)，(lbat =1400 mA pm 500 mA)，(lin =4000 mA pm 500 mA)。
7. 关闭负载 #1，测量 (Isys =0 pm 100 mA)，(lbat =3000 mA pm 300 mA)。
8. 将负载 #2 的输出电压从 16.5V 增加到 22V（61x）或 19V（63x），测量 (Isys =0 pm 100 mA)，(lbat =0 mA pm 100 mA)，观察 D7（STAT1）和 D8（STAT2）的状态。
9. 将负载 #2 的输出电压降低回 16.5V，观察 D7（STAT1）和 D8（STAT2）的状态。

2.4.4 充电器通过热敏电阻切断

1. 缓慢增加 PS2 的输出电压，直到 (Ibat = 0 ± 10mA)，测量 (V(J 4(TS))=2.44 V pm 200 mV)，观察 D7（STAT1）和 D8（STAT2）的状态。
2. 缓慢降低 PS2 的输出电压到 1.4V ± 0.1V，测量 (V(J 4(T S))=1.4 V pm 100 mV)，测量充电电流：
   • (lbat =3000 mA pm 300 mA)（bq24610/617/630）
   • (lbat =0 mA pm 100 mA)（bq24616）
   • (lbat =375 mA pm 150 mA)（bq2463x） 观察 D7（STAT1）和 D8（STAT2）的状态。
3. 继续缓慢降低 PS2 的输出电压，充电将恢复。继续缓慢降低 PS2 的输出电压，直到 (Ibat = 0 ±10mA)，测量 (V(J 4(T S))=1.14 V pm 200 mV)，观察 D7（STAT1）和 D8（STAT2）的状态。
4. 缓慢增加 PS2 的输出电压到 1.8V ± 100mV，测量 (lbat =3000 mA pm 200 mA)，观察 D7（STAT1）和 D8（STAT2）的状态。

2.4.5 电源路径选择

1. 关闭 JP5（禁用充电），观察 D3（CE）和 D7（STAT1）的状态。
2. 将 JP3 跳线设置为 2 - 3（VPULLUP 和 VEXT），将电源 #3 的输出连接到 J2（VEXT，GND），将电源 #3 设置为 3.3V ± 200mVDC，1.0 ± 0.1A 电流限制。
3. 将负载 #2 的输出电压设置为 16.5V ± 500mV。
4. 测量 (V(J5(SYS)) = 24V ± 1V)（适配器连接到系统），观察 D4（ACDRV）、D6（BATDRV）、D5（PG）、D7（STAT1）和 D8（STAT2）的状态。
5. 关闭 PS#1。
6. 测量 (V(J5(SYS)) = 16.5V ± 0.5V)（电池连接到系统），观察 D4（ACDRV）、D6（BATDRV）、D5（PG）、D7（STAT1）和 D8（STAT2）的状态。
7. 关闭电源 #2 和 #3，将 JP3 设置为 1 - 2（VPULLUP 和 VREF）。

2.5 PCB 布局指南

PCB 布局对于评估板的性能至关重要，以下是一些