深度剖析BQ25887 QFN评估模块：从功能到测试全解析

在当今便携式电子设备不断发展的时代，对电池充电管理的要求也越来越高。BQ25887作为一款高度集成的2 - A升压、1.5 - MHz开关模式电池充电管理设备，为2s锂离子和锂聚合物电池充电提供了出色的解决方案。本文将围绕BQ25887 QFN评估模块（EVM）展开，详细介绍其功能、测试方法以及相关设计要点。

文件下载：BQ25887EVM.pdf

一、BQ25887及EVM简介

1.1 BQ25887的背景与功能

随着便携式电子产品功能日益强大，其功率需求不断增加。使用两个串联的锂离子聚合物电池是提高功率的一种有效方式，而从传统的5 - V USB端口为8.4 - V电池组充电则需要一个升压充电器，BQ25887应运而生。它集成了电池平衡解决方案，对于两个串联的独立离散电池单元的应用至关重要。

1.2 EVM的特点

BQ25887 QFN评估模块（EVM）是一个完整的充电器模块，用于评估QFN封装的I2C控制2s电池NVDC充电器。其关键特性包括：

• 高效充电：可轻松评估QFN封装的2 - A、1.5 - MHz集成场效应晶体管（FET）开关模式升压充电器的高效性能。
• 灵活的输入设置：使用板载USB输入适配器连接到USB源，并可通过PSEL引脚头设置默认输入电流限制。
• 参数编程与监控：利用EV2400接口对充电操作参数进行编程，同时通过集成的模数转换器（ADC）监控电压和电流。
• 电池平衡功能：具备电阻可编程电流设置的电池平衡特性。
• 方便的测量：板载测试点、感测电阻和跳线便于测量高效、高精度的电压和电流调节。

需要注意的是，该EVM不包括EV2400接口板，如需评估EVM，需单独订购。

1.3 I/O描述

EVM上的跳线连接和推荐的操作条件对于正确使用和测试至关重要。表2列出了EVM上可用的跳线连接，表3详细说明了EVM跳线连接和分流器安装情况，表4则给出了推荐的操作条件，如输入电压、电池电压、充电电流等的范围。

二、测试总结

2.1 测试所需设备

为了对BQ25887 EVM进行测试，需要准备以下设备：

• 电源供应：一个能够提供高达6.5 V、3.3 A的电源（PS#1）。
• 电池模拟器：两个四象限电源，设置为恒定电压≤9.2 V，例如Kepco Bipolar Power Supply: BOP 20–5M或Keithley 2420 Sourcemeter。
• 负载：一个能够在9.2 V下吸收高达3 A电流的电子或电阻负载（Load#1）。
• 测量仪表：六个Fluke 75万用表（或等效或更好的仪表），也可以使用四个等效电压表和两个等效电流表，电流表需能够测量大于3 A的电流，且与电池或电池模拟器串联的电流表必须禁用自动量程，仅用于直流测量。
• 计算机：一台至少有一个USB端口的计算机和一根USB电缆。
• 通信接口：EV2400基于USB的PC接口板。
• 软件：从德州仪器下载bqStudio软件，该软件支持Microsoft® Windows® 7和Windows 10操作系统。

2.2 充电模式测试

2.2.1 充电模式测试设置

在进行充电模式测试时，需按照以下步骤设置设备：

• 确保电源和电池模拟器在连接到EVM之前处于关闭状态。
• 将电压表1至3（VM1、VM2和VM3）连接到开尔文测试点，尽可能靠近IC引脚测量VBUS、SYS和BAT电压；电压表4至6测量0.01 Ω电阻两端的电压以获取电流。
• 在连接到EVM之前，将电池模拟器1（BS#1）和电池模拟器2（BS#2）设置为不高于3.8 V，电流限制为2.5 A；将电源1（PS#1）设置为5.5 V，电流限制为3.5 A。
• 关闭BS#1、BS#2和PS#1，然后将BS#1连接到EVM的J4（BAT, TOP - /BOT +）端子，BS#2连接到EVM的TOP - /BOT +（J4）和PGND（J5）端子，PS#1连接到EVM的J1（VBUS, GND）。
• 将EV2400连接到PC和EVM，启动Battery Management Studio（bqStudio），选择充电器和BQ25881或BQ25887评估软件。

2.2.2 充电模式I2C寄存器设置

对于BQ25887EVM，需进行以下I2C寄存器设置：

• 打开BS#1和BS#2，并将它们都设置为3.8 V。
• 在EVM软件中，将“I2C Address”指定为D4（6A）。
• 点击“Read”按钮。
• 在EVM GUI软件Field View中，确保以下I2C寄存器设置：
  • 选择“Disabled”作为看门狗定时器。
  • 输入电压限制设置为“4.4V”（默认）。
  • 输入电流限制设置为“3.3A”。
  • 充电电压限制设置为“4.20V”（默认）。
  • 快速充电电流限制设置为“1.00A”。
  • 预充电电流限制设置为“0.15A”（默认）。
  • 取消选择“Enable Charge”以禁用充电。
  • 取消选择“Enable ILIM pin”以禁用ILIM引脚。
  • 如果已选择，取消选择“Enable HiZ”。
• 点击“Read Register”以确认寄存器更改已完成。

2.2.3 充电模式测试程序

按照以下步骤进行充电模式验证和测试：

1. 打开PS#1，点击“Read Register”按钮两次。观察故障框中显示“Normal”，D4（STAT）关闭（因为充电已禁用），D5（PG）开启（表示电源正常），测量VM2上的V(TP14 (SYS), TP26 (AGND)) = 6.4 V ±50 mV。
2. 在BQ25887EVM上，使用GUI选择“Enable Charge”以1.0 A开始充电。为了校正电缆电阻，调整PS#1直到VM1 [TP7 (VBUS_S), TP26 (AGND)]测量值为5.5 V ±50 mV，调整BS1直到VM3 [TP15 (BAT), TP12 (MID)]测量值为3.8 V ± 50 mV，调整BS2直到VM4 [TP12 (MID), TP26 (AGND)]测量值为3.8 V ± 50 mV。测量VM6上的V(TP5 (RBAT+), TP6 (RBAT -)) = 10 mV ±0.7 mV，对应ICHG = 1.0 A ±5%；测量VM4上的V(TP1 (RAC+), TP2 (RAC -)) = 14.8 mV ±0.7 mV，对应IVBUS = 1.48 A ±5%。
3. 调整BS1直到VM3 [TP15 (BAT), TP12 (MID)]测量值为3.9 V ± 50 mV。测量VM6上的V(TP5 (RBAT+), TP6 (RBAT -)) = 7.5 mV ±0.7 mV，对应ICHG = 0.75 A ±5%；将VM5移动到TP29、TP28，测量VM5上的V(TP29 (CBSET), TP28 (MID)) = 3.15V ± 7 mV，对应ICHG = 0.242 A +5%。
4. 可选地，在GUI中选择“Enable ILIM pin”。调整RLIM电位器（R5）直到VM4上的V(TP1 (RAC+), TP2 (RAC -)) = 10 mV ± 0.7 mV，对应IVBUS = 1.0 A ±5%。在读取寄存器后，在bqStudio中观察IINDPM状态为“In IINDPM”。
5. 关闭并断开PS#1、BS#1、BS#2、Load#1和电压表。

2.2.4 充电模式评估结果

图2展示了充电模式启动图，通过该图可以直观地了解充电模式的启动过程和相关参数变化。

2.3 测试小贴士

在测试过程中，有一些实用的小贴士需要注意：

• 电压测量：由于各种电源、电池和负载的引线和电缆存在电阻，电流计也有串联电阻，充电器会根据其VBUS引脚、BAT引脚和TS引脚感应的电压动态降低充电电流。因此，设计者必须使用电压表尽可能靠近IC引脚（TP7、TP15和TP16）测量电压，而不是依赖电源的数字读数。
• 防止振荡：当使用能够源和吸收电流的源表作为电池模拟器时，建议在BAT、TOP - /BOT +和GND连接器处添加两个大电容（1000uF或更大），以防止由于充电器输出和源表输入在各自调节环路带宽内的阻抗不匹配而导致的BAT引脚振荡。
• 精确测量：为了在接近终止时精确测量效率和充电电流或电池调节（或两者），与电池或电池模拟器串联的电流表不能设置为自动量程，可能需要完全移除。EVM提供了一种替代方法，通过测量电源和电源引脚之间串联的1%、耐热电阻（例如0.010 Ω，1210或更大封装）两端的电压来测量电流。

三、PCB布局指南

合理的PCB布局对于BQ25887 EVM的性能至关重要。为了最小化开关损耗，减少电磁辐射和高频谐振问题，应遵循以下布局优先级：

1. 输出电容布局：将输出电容尽可能靠近SYS或SNS引脚和GND引脚连接，并使用最短的铜迹线连接或GND平面。
2. 输入电容布局：将输入电容放置在VBUS和PMID引脚附近，通过短铜迹线连接或GND平面将接地连接到IC接地。
3. 电感布局：将电感输入端子尽可能靠近SW引脚，最小化该迹线的铜面积以降低电磁辐射，但要确保迹线足够宽以承载充电电流，避免使用多层并联连接，最小化该区域与其他迹线或平面的寄生电容。
4. 接地布局：将模拟地与电源地分开布线，分别连接模拟地和电源地，使用电源焊盘作为单一接地连接点或使用0 - Ω电阻将模拟地连接到电源地。
5. 单一接地连接：在IC下方使用单一接地连接将充电器电源地连接到充电器模拟地，使用接地铜浇注，但避免电源引脚以减少电感和电容噪声耦合。
6. 去耦电容布局：在IC引脚旁边放置去耦电容，并使迹线连接尽可能短。
7. 功率焊盘焊接：确保IC封装背面的暴露功率焊盘焊接到PCB接地，并在IC正下方有足够的热过孔连接到其他层的接地平面。
8. 过孔设置：过孔的尺寸和数量必须足以满足给定的电流路径。

四、电路板布局、原理图和物料清单

4.1 电路板布局

图3至图6展示了BQ2588xEVM的PCB板布局，包括顶层、第二层、第三层和底层的覆盖图，通过这些图可以清晰地了解电路板的结构和元件布局。

4.2 原理图

图7展示了BQ2588x QFN EVM的原理图，它详细地呈现了电路的连接和工作原理，为工程师进行电路分析和故障排查提供了重要依据。

4.3 物料清单

表5列出了BQ25887EVM的物料清单（BOM），包括各个元件的设计编号、数量、值、描述、封装参考、零件编号、制造商以及可选的替代零件编号和制造商等信息。这对于采购和组装EVM非常有帮助。

总之，BQ25887 QFN评估模块为工程师提供了一个全面的平台，用于评估和开发2s锂离子和锂聚合物电池的充电解决方案。通过正确的测试方法和合理的PCB布局，能够充分发挥其性能优势。在实际应用中，工程师们还需要根据具体需求进行进一步的优化和调整，你在使用BQ25887 EVM的过程中遇到过哪些问题呢？欢迎在评论区分享交流。