德州仪器bq51050BEVM-764无线充电接收器评估套件评测

一、引言

在当今科技飞速发展的时代，无线充电技术凭借其便捷性和高效性，正逐渐成为电子设备充电的主流方式。德州仪器（TI）推出的bq51050BEVM-764无线充电接收器评估套件，为无线充电解决方案的设计提供了一个高性能且易于使用的开发平台。本文将对该套件进行详细介绍，包括其特点、操作条件、测试流程、测试结果以及布局和物料清单等方面，希望能为电子工程师们在无线充电设计领域提供有价值的参考。

文件下载：BQ51050BEVM-764.pdf

二、bq5105x概述

bq5105x是一款先进的二次侧直接锂离子充电控制器，专为便携式应用中的无线电力传输而设计。它具备AC/DC电源转换功能，集成了符合Qi v1.1通信协议所需的数字控制器以及锂离子充电控制器。与bq500210初级侧控制器配合使用时，bq5105x能够实现一个完整的无接触式电力传输系统，为无线直接电池充电解决方案提供支持。通过近场感应电力传输，嵌入在便携式设备中的次级线圈可以拾取初级线圈传输的电力，然后将次级线圈的交流信号整流并调节，直接为电池供电。同时，通过利用Qi v1.1通信协议，从次级到初级建立全局反馈，以稳定电力传输过程。

此外，bq5105x设备集成了低阻抗同步整流器、低压差稳压器、数字控制、锂离子充电器控制器以及精确的电压和电流环路。整个功率级（整流器和LDO）采用低电阻NMOS FET（典型RDS(on)为100-mΩ），确保了高效率和低功耗。

三、EVM考虑事项

bq51050BEVM-764评估模块（HPA764-002）展示了bqTESLA™无线电源系统的接收器部分。这是一个完整的接收器侧解决方案，能够为单节锂离子电池提供高达1A的充电电流。其特点如下：

1. 应用广泛：可用于各种低功率电池便携式设备，作为直接电池充电器，无需与设备进行连接，实现无接触式充电。
2. 电压和电流规格：调节电压为4.2V，最大充电电流可达1A。
3. 低轮廓设计：配备外部拾取线圈，框架配置可提供正确的接收器到发射器间距。
4. 测试便利性：线圈上方有空间用于电池测试，这对于调谐非常关键。
5. 参数可调节：可通过可变电阻R16调节充电电流，通过可调电阻R13设置终止电流，还可使用R3调节温度感应。

不过，在对EVM进行组件更改时，需要参考数据手册。为了便于EVM的定制，电路板设计采用了0603或更大封装的器件，但实际应用中可能占用更少的总电路板空间。需要注意的是，更改组件可能会提高或降低EVM的性能。

四、推荐操作条件

在环境温度为25°C的条件下，bq51050BEVM-764的电气性能规格如下表所示：	PARAMETER	TEST CONDITION	MIN	TYP	MAX	UNIT
V IN	Input voltage range	4.0		10.0	V
I COMM-C	Current limit during communication		330	420	mA
I IN	Input current range				1.5	A
I OUT	Output current range	Current limit programming range			1.5	A
V OUT(REG)	Regulation output voltage	I LOAD = 1000 mA	4.16	4.2	4.22	V
F s	Switching frequency		110	205	kHz
Efficiency	AC-DC efficiency	1-A fast charge current, V BAT = 4.2 V	93%

五、设备和EVM设置

5.1 原理图

HPA764-Revision B原理图展示了EVM的电路结构，为工程师提供了清晰的电路布局参考。

5.2 连接器和测试点描述

1. J1 – AD External Adapter Input, J2 - GND：此EVM（HPA764-002）无法提供电源来模拟外部适配器应用于接收器。
2. J3 – Output Voltage, J4 - GND：在无线电源模式下，输出电压调节为4.2V，最大电流可达1A，该版本不支持适配器选项。
3. J5 – TS and Return Connector：用于外部温度感应电阻的连接，具体信息可参考数据手册。
4. J6 – Programming Connector：该连接器已安装，仅在工厂级别用于IC编程。

5.3 跳线和开关

1. JP1 – EN1 Enable 1：在本EVM（HPA764-002）中未安装。
2. JP2 – EN2 Enable 2：使能信号输入，允许系统启动无线充电。当EN2设置为低电平时，除非AD（电压 >3.6 V），否则无线充电启用；当EN2设置为高电平时，AD模式禁用，无线充电始终启用，适用于OTG加无线充电同时激活的情况。
3. JP3 – TS Enable or Disable：该跳线用于启用或禁用TS调节功能，使用R3进行调节。禁用位置将TS引脚的电压设置为安全值，默认短路跳线设置为禁用。
4. JP4 – Pull - Up to Out or Vz：EN2上拉可以由OUT或RECT供电，Vz通过电阻和齐纳二极管D2从RECT派生。
5. JP5 – Termination：该跳线与R14和R13一起设置终止电流，具体信息可参考bq51050B数据手册，默认短路跳线已安装。
6. JP6 – ILIM Fix or ADJ：最大输出电流由ILIM引脚设置。在FIX位置，电流设置为固定值；在ADJ位置，电流由R16设置。

5.4 测试点描述

各个测试点用于测量不同的电气参数，如AC电压、通信信号、输出电压等，为测试和调试提供了便利。例如，TP2和TP4用于测量从接收器线圈施加到EVM的AC电压，TP7用于测量bq51050B的输出电压。

5.5 IC引脚描述

IC的引脚功能明确，不同引脚负责不同的信号传输和控制，如AC输入、通信、充电指示等。具体引脚功能可参考文档中的引脚描述表。

六、测试流程

6.1 定义

在测试过程中，使用了一系列命名约定，如VXXX表示外部电压供应名称，LOADW表示外部负载名称，V(TPyy)表示内部测试点TPyy的电压等，这些约定有助于准确描述测试条件和记录测试数据。

6.2 推荐测试设备

完成测试流程需要以下设备：

1. 电源：两个电源，电源#1能够提供19V、1A的电源，电源#2能够为电池模拟器提供高达6V、5A的电源。
2. 电池模拟器PR1010 - 002：用于模拟电池，测试充电器的性能。
3. 仪表：两个直流电压表、一个万用表（欧姆表）和两个直流电流表。
4. 示波器：虽然不是必需的，但可以替代万用表进行测量。
5. bqTesla发射器：为bq510xxxEVM - 764接收器EVM提供电源，可使用bqTESLA发射器（bq500210EVM - 689）或WPC认证的发射器。

6.3 设备设置

1. 测试设置：使用提供的bqTesla发射器（bq5100210EVM - HPA689）进行最终组装测试，将发射器的输入电压设置为19 VDC ±200 mV，电流限制为1.0 A，将待测单元（UUT）放置在发射器线圈中心。
2. 电池模拟器：将PS#2调节到约3.6V，电流限制为3.5A，然后关闭PS#2。
3. 跳线设置：设置JP2、JP3、JP4、JP5和JP6的跳线位置，以满足测试要求。
4. 电压和电流仪表：连接电流表测量发射器的输入电流，连接电压表监测TX单元的输入电压；在UUT（接收器）上，使用电压表测量J3（OUT）的输出电压（电池电压），连接电流表测量充电电流。
5. TS: R3设置：使用欧姆表测量J5两端的电阻，通过调节R3使读数为10 kΩ ±200 - Ω，确保温度感应在允许的充电区域内工作。
6. ILIM: R16设置：使用欧姆表测量JP6 - ADJ和J2（GND）之间的电阻，通过调节R16使读数为300 Ω ±20 - Ω，将快速充电电流设置为1A。
7. ITERM: R13设置：使用欧姆表测量JP5（连接到R13和R14的一端）和J2（GND）之间的电阻，通过调节R13使读数为5 kΩ ±200 - Ω，将终止电流调整为快速充电电流的约20%（对于1A的快速充电电流，终止电流应为200mA）。

6.4 测试步骤

1. 开启操作：依次开启发射器PS#1（19V）、模拟器PS#2（3.6V），将接收器EVM放置在发射器线圈上并正确对齐，5秒后，验证发射器和接收器的状态指示灯是否正常工作。
2. 预充电操作：将PS#2调节到2.5V，验证充电电流是否为200 mA ±20 mA。
3. 快速充电操作：将PS#2调节到3.6V，验证充电电流是否为1000 mA ±100 mA。
4. 恒压充电操作和终止：将PS#2调节到4.2V ±50 mV，继续增加PS#2的电压，观察充电电流的变化，当充电电流降至200 mA ±20 mA时，充电应终止。
5. 效率测试：将PS#2调节到3.6V ±50 mV，移除并重新安装接收器，验证充电电流是否为1000 mA ±100 mA，同时验证TX的输入电流是否小于350 mA ±30 mA（输入电压为19VDC）。

七、测试结果

7.1 启动到快速充电模式

在19V输入、3.7V电池和1000mA快速充电电流的条件下，测试结果如图4所示，展示了从启动到快速充电模式的过程。

7.2 启动到预充电模式

在19V输入、2V电池和200mA预充电电流的条件下，测试结果如图5所示，展示了从启动到预充电模式的过程。

7.3 预充电到快速充电过渡

通过调节电池模拟器的电压，从预充电模式（2V，200mA）过渡到快速充电模式（1000mA），测试结果如图6所示。

7.4 快速充电到渐减和终止过渡

将电池模拟器电压设置为4.2V（快速充电模式，1000mA），然后降低电压，直到从快速充电模式过渡到渐减和终止模式（200mA），测试结果如图7所示。

7.5 效率数据

1. 效率与输出功率（AC - DC）：图8展示了bq51050BEVM - 764在整个充电周期中的效率，调节电压为4.2V，快速充电电流设置为1A，终止电流设置为100mA。
2. 效率与快速充电电流（AC - DC）：图9展示了不同快速充电电流水平下的效率，调节电压为4.2V，快速充电电流从200mA变化到1A，电池模拟器电压设置为约4.1V。

7.6 热性能

在快速充电模式下，使用4.0V电池，充电速率为1000mA，无气流，环境温度为25°C的条件下，IC的峰值温度为57.5°C，远低于数据手册中列出的最大推荐操作条件。

八、布局和物料清单

8.1 布局

8.1.1 印刷电路板布局指南

在设计定制接收器PCB时，主要考虑以下几点：

1. 迹线电阻：AC1和AC2、OUT、RECT迹线的电阻要尽量小。
2. GND连接：确保良好的接地连接。
3. 铜重量：铜重量应≥2 oz。
4. 电流额定值：对于1A快速充电电流应用，不同网络的电流额定值不同，如AC1 = AC2 = 1.2A，BOOT1 = BOOT2 = 10 mA等。
5. 电容要求：RECT和OUT上应具有一定的电容，RECT ≥ ±10 μF，OUT ≥ 1 μF，同时建议在RECT和OUT旁边放置0.1 μF的高频旁路电容。

8.1.2 布局示例

文档中提供了bq51050BEVM的布局示例图，包括顶部组件、顶部层、底部铜层和底部组件等，为工程师的布局设计提供了参考。

8.2 物料清单（BOM）

文档详细列出了bq51050BEVM - 764的物料清单，包括各个组件的数量、参考编号、值、描述、尺寸、零件编号和制造商等信息，方便工程师进行采购和组装。

九、总结

德州仪器的bq51050BEVM - 764无线充电接收器评估套件为无线充电解决方案的设计提供了一个全面且实用的平台。通过对该套件的详细了解和测试，我们可以看到它在性能、功能和可调节性方面都具有优势。其集成的功能和清晰的布局设计，有助于工程师快速开发出满足需求的无线充电应用。同时，测试结果也证明了该套件在充电效率、热性能等方面表现良好。然而，在使用过程中，工程师需要严格按照推荐的操作条件和测试流程进行操作，以确保获得准确的测试结果和稳定的性能。你在实际使用中是否也遇到过类似的无线充电设计挑战呢？欢迎在评论区分享你的经验和想法。