用于高端手持设备的低成本充电管理芯片BQ24070应用设计

摘要： 给出详细的锂电池充电管理芯片BQ24070应用设计。
关键词： 电池充电管理；DPPM；BQ24070
引言

BQ24070是TI(德州仪器公司)基于BQTINY III产品衍生出来的低成本单节锂电池线性充电管理芯片，支持USB和交流适配器充电模式，符合预充－恒流－恒压－涓充的充电过程；它具有DPPM(动态功率路径管理功能)，因此支持深度放电电池充电(插入交流适配器后不需要等待即可正常开机)和使用小功率交流适配器充电的应用，自动功率补偿、调整充电电流和系统电流分配关系，最大程度保证系统的正常工作；具有电池温度检测功能，在电池处于过冷或者过热的环境中充电时保护电池，避免损坏；支持高达1.5A充电电流，具有充电时间设置功能，避免电池长时间充电而损坏。BQ24070是20引脚3.5mm x 4.5mm QFN，小巧紧凑的封装形式节省PCB板空间。
 
　　适用范围：个人媒体播放器，多媒体手机，游戏机，PDA和其他手持设备。

图1  DPPM功能简图

功能设计

DPPM功能

动态功率路径管理(DPPM)是指当交流适配器或者USB电源提供的电流不足以满足电池充电和系统供电时，BQ24070的DPPM单元将进行下面两个操作：
　　1) 当Vout引脚电压降到1.15×VDPPM时(VDPPM即在RDPPM电阻上的电压)，BQ24070就会降低电池充电电流，阻止交流适配器或者USB电源电压的下降，将电源中的更多电流分配给系统—称为浅度DPPM模式。
　　2) 如果降低充电电流、甚至将所有充电电流都分配给系统，依然不能满足系统电流需求时，使得Vout电压继续下降，当Vout电压跌到预先设定电压值时，BQ24070就会从电池中自动抽取部分电流补充给系统，即Q2导通，Q2的最大电流通流量为4A—称为深度DPPM模式。

DPPM工作原理

通过设置DPPM引脚对地的电阻阻值即可完成，当系统电流与充电电流之和大于交流适配器或者USB电源最大输出电流时必然会引起交流适配器或者USB电源电压的跌落(当电源过载时，电源会进入限流模式，即电流会恒定到某一数值，但是电压会逐渐下降)，于是BQ24070的DPPM单元会检测OUT引脚的电压，当Vout电压等于VDPPM设定值时，DPPM单元开始工作。

DPPM设置准则

通常设置一个正确的DPPM值是需要遵循如下要求：
　　1) VDPPM=系统最低工作电压值＋0.5V，假如系统可以允许的最低工作电压为3.3V，那么最低的电压设置至少应在3.8V以上。
　　2) RDPPM值需在27K~36K±1%范围。

RDPPM 计算公式：

RDPPM = VDPPM/ (IDPPM×SF)
　　其中VDPPM为预设值，例如3.8V
　　IDPPM＝100mA
　　SF＝1.15

DPPM其他功能(可用于单独关断充电管理单元操作)

当交流适配器或者USB电源在位时，通过将DPPM引脚悬浮，可以达到单独关断充电管理单元的目的，不影响其他单元工作，交流适配器依然向系统供电，但是在此模式下DPPM功能被关断，所以如果适配器电流不足以供给系统，需要从电池中抽取电流补充到系统中时，电池向系统供电的阈值取决于OUT引脚电压是否跌落在电池电压以下，如果Vout电压低于Vbattery电压，则电池开始向系统供电。

入口电源和充电模式选择

当MODE引脚=1时，选择交流适配器模式为电池充电，同时从适配器中抽取电流给系统供电。
　　当MODE引脚=0时，选择USB电源模式为电池充电，同时从USB电源中抽取电流给系统供电。
　　当USB电源和适配器电源都不在位时，自动选取电池作为系统的供电电源。

充电电流设置

当电池电压低于典型值3V，芯片开始：预充(Vbat<3.0V)－恒流(Vbat>3.0V)－恒压(Vbat接近4.2V)－涓充(Vbat=4.2V)全系列过程。
　　当电池电压低于4.1V但是大于3V时，芯片自动进入：恒流－恒压－涓充过程。
　　当充电电流小于中止时充电电流ITERM设定值时，充电过程结束。
　　1)交流适配器输入模式(MODE引脚＝High)，通过设定ISET1引脚对地的电阻阻值实现。
　　快充电流设置：
　　ICHG＝VSET×KSET/RSET
　　其中当ISET2引脚=High，VSET=2.5V；当ISET2引脚=Low，VSET=1.25V；KSET=425
　　预充充电电流：
　　IPRECHG=(VPRECHG×KSET)/RSET

[p] 　　其中VPRECHG=0.25V；KSET=425
　　中止时充电电流阈值：
　　ITERM=(KSET×VTERM)/RSET
　　其中当ISET2引脚= High，VTERM=0.25V；当ISET2引脚= Low，VTERM=0.1V；KSET=425
　　2)USB电源输入模式(MODE引脚＝Low)，通过配置ISET2引脚的电位
　　ISET2引脚=High，ICHG=500mA，IPRECHG=ITERM=50mA
　　ISET2引脚=Low，ICHG=100mA，IPRECHG=ITERM=10mA
　　充电时间设置(保护电池在异常充电状态时不被损坏，一旦超时就立刻强行关闭充电单元中止充电)
　　通过设置TMR引脚对地的电阻实现。
　　1)tCHG=KTMR×RTMR，其中KTMR=0.36s/kW；RTMR取值范围30kW~100kW
　　2)预充时间：tPRECHG= 0.1×tCHG
　　3)如果芯片进入热保护或者进入DPPM状态时，需要按照下列公式计算：
　　tCHG_TREG＝(tCHG×VSET)/ VSET_REG
　　VSET_TREG =(ICHG×RSET)/KSET
　　其中KSET=425，ICHG为所设定的充电电流，但是在此模式下，充电电流是由芯片自己调节，不受RSET电阻设定值控制。
　　4)如果不使用TMR引脚设定安全充电时间，则需要将TMR引脚与VREF引脚连接
温度保护设置

1)将TS引脚与电池包内部的负温度系数的热敏电阻(典型值103AT，10K@25℃)连接即可实现(见图2)。
　　一定要保证VTS电压满足如下范围才可以使得芯片处于正常工作状态：
　　0.5V<VTS<2.5V，VTS=0.1mA×RNTC
　　对于NTC电阻：0.5V代表高温侧的电压阈值；2.5V代表低温侧的电压阈值。
　　否则芯片会认为电池温度处于不正常状态而拒绝启动充电单元。
　　3) 如果不使用温度检测功能，将TS引脚与地之间接入一只10KW固定阻值电阻即可。

图2  BQ24070温度保护设置

表1  BQ24070充电状态指示


　　充电状态指示

　　引脚用法

CE引脚用于关断或者使能芯片中的所有单元(充电管理单元和功率路径管理单元)。
　　当CE=0时，Q1关断，Q2导通，此时即使交流适配器在位，也只有电池给系统供电。
　　当CE=1时，Q1导通，Q2由芯片自己根据实际状态判断是否导通还是关断，启动DPPM单元和充电管理单元，AC供电(没有进入DPPM模式或者进入潜度DPPM模式)或者AC + battery给系统供电(进入深度DPPM模式)。
　　PG引脚用于指示入口电源状态引脚是开放式漏极，需要上拉电阻辅助。
　　PG = 0，入口电源正常。
　　PG = 1，入口电源不正常。
　　VREF引脚只有在交流适配器或者USB电源在位时才会有固定的3.3V/10mA输出，此引脚需要连接一个去耦电容，容量为0.47mF，不要超过1mF。
　　MODE引脚为1，使能交流适配器充电功能。
　　MODE引脚为0，使能USB电源充电功能。
　　ISET2、CE引脚逻辑高、逻辑低电平范围：逻辑高＝1.4V~7V，逻辑低＝小于0.4V。

BQ24070缓启动设置

为了避免BQ24070在系统启动瞬间进入过流保护或者短路保护状态减小瞬态冲击电流(inrush current)，要在DPPM引脚与地之间接入一个电容器来实现，通常这个电容地容值为1nF~10nF。

元件选择和布板

输入输出功率电容应选择ESR值小的无极性瓷片材质的电容，材质标准为X7R或者X5R，电容容值为10mF。
　　其他辅助控制电容也应选择ESR值小的无极性瓷片材质的电容，材质标准为X7R或者X5R。
　　所有用于功率输入、输出的电容必须要尽可能的接近IN、OUT、BAT引脚。
　　用于辅助控制的电容也应尽可能的接近相应引脚，例如与DPPM引脚连接的电容。
　　所有输入输出用于承载功率的PCB铜线宽度要尽可能的加大，减小线路压降和损耗。
　　BQ24070芯片底部功率管脚(Power Pad)需要与PCB上大面积的地铜层连接用于散热，将芯片上的热量导出，避免芯片进入过热保护，同时提高芯片工作的可靠性。

BQ24070应用电路

BQ24070应用电路示于图4。

图4  BQ24070应用电路

参考文献：
1.   BQ24070 datasheet, TI