特征

•適合汽車應用

•是高效充電器設計的理想選擇單電池、雙電池或三電池鋰離子和鋰-聚合物電池組

•也適用于LiFePO4電池（參見使用bq24105為LiFePO4電池充電）

•集成同步固定頻率脈寬調制控制器工作在1.1兆赫占空比為0%至100%

•充電率高達2安培的集成功率場效應晶體管

•高精度電壓電流調節(jié)

•獨立（內置充電管理和控制）版本

•LED或主機處理器的狀態(tài)輸出接口指示正在充電，充電完成、故障和交流適配器存在條件

•20-V最大額定電壓輸入和輸出別針

•高壓側蓄電池電流感應

•電池溫度監(jiān)測

•低功耗的自動休眠模式

•反向漏電保護防止電池放電

•熱關機和保護

•內置電池檢測

•提供20針，3.5 mm×4.5 mm，QFN封裝

說明

BQ切換器™ 該系列是高度集成的鋰離子和鋰聚合物開關模式電荷管理設備，針對廣泛的便攜式應用。BQ切換器™ 該系列提供集成的同步PWM控制器和功率場效應晶體管，高精度電流和電壓調節(jié)，充電預處理，充電狀態(tài)，和充電終端，在一個小，熱增強QFN封裝。

BQ開關分三個階段給電池充電：調節(jié)、恒流和恒壓。根據(jù)用戶可選擇的最小電流水平終止充電。可編程充電定時器為充電終止提供安全備份。如果電池電壓低于內部閾值，BQ切換器會自動重新啟動充電循環(huán)。當VCC電源斷開時，BQ切換器自動進入休眠模式。

典型應用電路

典型運行性能

功能框圖

操作流程圖

詳細說明

BQ切換器™ 支持用于單電池、雙電池或三電池應用的精密鋰離子或鋰聚合物充電系統(tǒng)。典型的電荷分布見圖4。

PWM控制器

提供241MHz集成充電電壓調節(jié)功能。這種類型的控制器用于幫助改善線路瞬態(tài)響應，從而簡化用于連續(xù)和不連續(xù)電流傳導操作的補償網(wǎng)絡。電壓和電流回路采用III型補償方案進行內部補償，該方案為穩(wěn)定運行提供足夠的相位升壓，允許使用ESR非常低的小型陶瓷電容器。PWM斜坡底部有一個0.5伏的偏移量，允許設備在0%到100%的占空比之間工作。

內部PWM門驅動器可以直接控制PMOS和NMOS功率mosfet。高壓側柵極電壓從VCC（關斷時）到VCC–6（當接通且VCC大于6 V時），通過將柵極電壓提高到標準5V以上，有助于降低轉換器的傳導損耗。低側柵極電壓從6 V波動到打開NMOS，再到PGND關閉NMO。bq24105在高壓側有兩個背靠背公共漏極P-MOSFET。輸入P-MOSFET防止電池放電時，IN低于BAT。第二個P-MOSFET表現(xiàn)為開關控制FET，不需要自舉電容器。

通過內部高側感測場效應晶體管（FET）感測循環(huán)電流限制。閾值設置為標稱3.6A峰值電流。同步側或同步側的FET是否也有低電流限制。此閾值設置為100mA，在電流反向之前關閉低側NMOS，防止電池放電。當?shù)瓦厛鲂w管的電流大于100毫安時，采用同步操作，以盡量減少功率損耗。

溫度鑒定

BQ切換器通過測量TS引腳和VSS引腳之間的電壓來持續(xù)監(jiān)控電池溫度。負溫度系數(shù)熱敏電阻（NTC）和外部分壓器通常產(chǎn)生這種電壓。BQ切換器將此電壓與內部閾值進行比較，以確定是否允許充電。要啟動充電循環(huán)，電池溫度必須在V（LTF）-V（HTF）閾值范圍內。如果電池溫度超出此范圍，BQ切換器將暫停充電并等待，直到電池溫度在V（LTF）-V（HTF）范圍內。在充電周期（預充電和快速充電）期間，電池溫度必須在V（LTF）-V（TCO）閾值范圍內。如果電池溫度超出此范圍，BQ切換器將暫停充電并等待，直到電池溫度在V（LTF）-V（HTF）范圍內。BQ切換器通過關閉PWM并保持定時器值（即，在暫停狀態(tài)下計時器不復位）來暫停充電。注意，外部電阻分壓器的偏置來自VTSB輸出。在TS引腳上施加V（LTF）-V（HTF）閾值之間的恒定電壓將禁用溫度感應功能。

蓄電池預處理（預充電）

通電時，如果電池電壓低于VLOWV閾值，BQ切換器向電池施加預充電電流IPRECHG。這一特性使深放電的細胞復活。在調節(jié)階段，BQ切換器啟動安全定時器tPRECHG。如果在定時器時間內未達到VLOWV閾值，BQ切換器將關閉充電器并在STATx引腳上顯示故障。在故障情況下，BQ切換器將電流減小至IDETECT。IDETECT用于檢測電池更換情況。通過POR或更換電池清除故障。

預充電電流IO（PRECHG）的大小由連接到ISET2引腳的編程電阻器R（ISET2）的值決定。

其中：

RSNS是外部電流檢測電阻器

V（ISET2）是ISET2引腳的輸出電壓

K（ISET2）是V/A增益因子

V（ISET2）和K（ISET2）在電氣特性表中規(guī)定。

電池充電電流

通過設置連接到ISET1引腳的外部檢測電阻器R（SNS）和電阻器R（ISET1），確定蓄電池充電電流IO（充電）。

為了設置電流，首先選擇R（SNS）基于該電阻的調節(jié)閾值VIREG。當VIREG在100 mV和200 mV之間時，達到最佳精度。

如果結果不是標準的感應電阻值，請選擇下一個較大的值。使用選定的標準值，求解VIREG。一旦選擇了感測電阻，可使用以下方程式計算ISET1電阻器：

電池電壓調節(jié)

電壓調節(jié)反饋通過BAT引腳產(chǎn)生。該輸入直接連接到電池組的正極。BQ切換器監(jiān)控BAT和VSS引腳之間的電池組電壓。

輸出調節(jié)電壓規(guī)定為：

其中R1和R2分別是從BAT到FB和FB到VSS的電阻分壓器。

充電閾值電壓規(guī)定為：

充電終止和充電

在充電階段，BQ對充電電壓進行監(jiān)控。一旦檢測到終止閾值ITERM，bqSWITCHER將終止充電。終端電流電平由連接到ISET2引腳的編程電阻器R（ISET2）的值來選擇。

其中：

R（SNS）是外部電流檢測電阻器

VTERM是ISET2引腳的輸出

K（ISET2）是A/V增益系數(shù)

VTERM和K（ISET2）在電氣特性表中指定

作為安全備份，BQ切換器還提供了一個可編程的充電計時器。充電時間由連接在TTC引腳和GND之間的電容器值按以下公式編程：

其中：

C（TTC）是連接到TTC引腳的電容器

K（TTC）是乘數(shù)

當檢測到以下情況之一時，將啟動新的充電循環(huán)：

•電池電壓低于VRCH閾值。

•上電復位（POR），如果電池電壓低于VRCH閾值

•CE開關

•TTC引腳，如下所述。

為了禁用充電終止和安全定時器，用戶可以將TTC輸入拉到VTTC_EN閾值以下。超過此閾值將啟用終止和安全計時器功能，并重置計時器。捆綁TTC高僅禁用安全計時器。

睡眠模式

如果從電路中移除VCC引腳，BQ切換器進入低功耗休眠模式。此功能可防止在沒有VCC的情況下耗盡電池電量。

充電狀態(tài)輸出

開路漏極STAT1和STAT2輸出指示各種充電器操作，如表1所示。這些狀態(tài)引腳可用于驅動LED或與主機處理器通信。注意，關表示開漏晶體管關閉。

PG輸出

漏極開路PG（電源良好）指示何時存在AC-to-DC適配器（即VCC）。當檢測到休眠模式退出閾值VSLP-exit時，輸出打開。此輸出在睡眠模式下關閉。PG引腳可用于驅動LED或與主機處理器通信。

CE輸入（充電啟用）

CE數(shù)字輸入用于禁用或啟用充電過程。A-C引腳充電電平高，并禁用此信號。此引腳上的高到低轉換也會重置所有計時器和故障條件。注意，CE引腳不能拉高到VTSB電壓。這可能會導致通電問題。

定時器故障恢復

如圖6所示，bqSWITCHER提供了一種恢復方法來處理計時器故障情況。下面對這種方法進行了總結。

條件1：VI（BAT）高于充電閾值（VOREG-VRCH）并且發(fā)生超時故障。

恢復方法：bqSWITCHER等待電池電壓低于充電閾值。這可能是由于蓄電池負載、自放電或蓄電池拆卸造成的。一旦電池低于充電閾值，BQ切換器將清除故障并進入電池缺失檢測程序。POR或CE開關也可清除故障。

條件2：充電電壓低于充電閾值（VOREG–VRCH），發(fā)生超時故障

恢復方法：在這種情況下，bqSWITCHER應用IDETECT電流。此小電流用于檢測蓄電池拆卸情況，只要蓄電池電壓保持在充電閾值以下，該電流就會保持接通。如果電池電壓高于充電閾值，則BQ切換器將禁用IDETECT電流，并執(zhí)行條件1中所述的恢復方法。一旦電池低于充電閾值，BQ切換器將清除故障并進入電池缺失檢測程序。POR或CE開關也可清除故障。

輸出過壓保護

bq開關提供了一個內置的過電壓保護，以保護設備和其他組件免受損壞，如果電池電壓過高，如當電池突然卸下。當檢測到過壓情況時，此功能將關閉PWM和STATx引腳。一旦VIBAT降至充電閾值（VOREG–VRCH），故障即被清除。

電感器、電容器和感測電阻器選擇指南

BQ切換器提供內部回路補償。在這種方案下，當LC諧振頻率fo約為16khz（8khz～32khz）時，穩(wěn)定性最好。公式9可用于計算輸出電感和電容的值。表3總結了各種收費率的典型組成值。

電池檢測

對于使用可拆卸電池組的應用，bqSWITCHER提供了電池缺失檢測方案，以可靠地檢測電池組的插入和/或移除。

快速充電后，電池充電后，電池針腳處的電壓保持在電池充電閾值（VOREG–VRCH）以上。當BAT引腳上的電壓下降到充電閾值時，無論是由于電池負載還是由于電池移除，BQ切換器開始電池缺失檢測測試。該測試包括啟用檢測電流IDISCHARGE1一段時間，并檢查蓄電池電壓是否低于短路閾值VSHORT。在此之后，尾流IWAKE將持續(xù)一段時間，并再次檢查蓄電池電壓，以確保其高于充電閾值。此電流的作用是試圖關閉開路的電池組保護器（如果其中一個連接到BQ切換器）。

通過放電和充電測試表明STAT引腳處存在電池缺失故障。任何一個測試失敗都會啟動新的充電循環(huán)。在沒有電池的情況下，電池引腳上的電壓通常會在0V和VOVP閾值之間無限地上升和下降。

電池檢測示例

在以下放電條件下，電池的放電量不應超過最大值：

a、 放電（IDISCHRG1=400μa，tDISCHRG1=1s，VSHORT=2V）：

b、 尾流（IWAKE=2mA，tWAKE=0.5s，VOREG-VRCH=4.1V）：

根據(jù)這些計算，為確保電池檢測方案的正常運行，建議的最大輸出電容為100μF，這將允許工藝和溫度變化。

圖9顯示了插入電池時的電池檢測方案。通道3是輸出信號，通道4是輸出電流。輸出信號在VOREG和GND之間切換，直到插入電池。一旦檢測到蓄電池，輸出電流將從0A增加到1.3A，這是此應用程序的編程充電電流。

圖10顯示了移除電池時的電池檢測方案。通道3是輸出信號，通道4是輸出電流。當電池被取下時，由于電感器中儲存的能量，輸出信號會上升，并且會超過VOREG–VRCH閾值。此時輸出電流為0A，IC終止充電過程，并為tDISCHG2打開IDISCHG2。這會導致輸出電壓降至VOREG–VRCHG閾值以下，從而觸發(fā)電池缺電情況并啟動電池檢測方案。

電流檢測放大器

提供了一種電流檢測放大器功能，將充電電流轉換為直流電壓。圖11是這個特性的框圖。

ISET2引腳上的電壓可用于計算充電電流。式12顯示了ISET2電壓和充電電流之間的關系：

此功能可用于在電流調節(jié)階段（僅限快速充電）和電壓調節(jié)階段監(jiān)測充電電流（圖12）。該波形的應用電路示意圖如圖14所示。

BQ交換機系統(tǒng)設計實例

以下部分提供了bq24100的詳細系統(tǒng)設計示例。

系統(tǒng)設計規(guī)范：

•VIN=16V

•VBAT=4.2V（1芯）

•ICHARGE=1.33安培

•IPRECHARGE=ITERM=133毫安

•安全計時器=5小時

•電感器紋波電流=快速充電電流的30%

•初始裝料溫度=0°C至45°C

1、確定指定充電電流紋波的電感器值（LOUT）：

將輸出電感器設置為標準10μH。使用10μH電感器計算總紋波電流：

計算最大輸出電流（峰值電流）：

使用飽和電流大于1.471A的標準10μH電感器（即Sumida CDRH74-100）。

2、使用16 kHz作為諧振頻率確定輸出電容值（OUT）：

使用標準值10μF，25V，X5R，±20%陶瓷電容器（即松下1206 ECJ-3YB1E106M

3、 使用以下公式確定感測電阻：

為了獲得更好的電流調節(jié)精度（±10%），將VRSN設置在100 mV到200 mV之間。使用VRSNS=100 mV并計算感測電阻器的值。

這個值不是電阻的標準值。如果發(fā)生這種情況，則選擇下一個較大的值，在本例中為0.1Ω。使用相同的方程式（15），實際VRSN為133mV。計算上的功耗感測電阻器：

選擇標準值100 mΩ、0.25W 0805、1206或2010尺寸、高精度感應電阻器。（即Vishay CRCW1210-0R10F）

4、 使用以下公式確定ISET 1電阻器：

選擇標準值7.5 kΩ，1/16W±1%電阻器（即Vishay CRCWD0603-7501-F）。

5、 使用以下公式確定ISET 2電阻器：

選擇標準值7.5 kΩ，1/16W±1%電阻器（即Vishay CRCWD0603-7501-F）。

6、 使用以下公式確定5.0小時安全計時器的TTC電容器（TTC）：

選擇標準值100nF，16V，X7R，±10%陶瓷電容器（即松下ECJ-1VB1C104K）。使用該電容器，實際安全計時器為4.3小時。

7、 確定工作溫度范圍為0°C至45°C的TS電阻網(wǎng)絡。

假設電池組上有一個103AT NTC熱敏電阻，使用以下方程式確定RT1和RT2的值：

申請信息

在不影響蓄電池充電和端接的情況下對蓄電池和供電系統(tǒng)進行充電。

BQ切換器被設計成一個獨立的電池充電器，但是可以很容易地適應為系統(tǒng)負載供電，同時考慮一些小問題。

優(yōu)勢：

1.充電器控制器僅基于通過電流感應電阻器的電流（因此預充電、恒流和終端都能正常工作），不受系統(tǒng)負載的影響。

2.輸入電壓已從輸入端轉換成有效的系統(tǒng)電壓。

3.不需要額外的外部fet來將電源切換到電池。

4.TTC引腳可以接地，以禁用終端并保持轉換器運行和電池充滿電，或者讓切換器在電池充滿時終止，然后通過感應電阻器耗盡電池。

其他問題：

1.如果系統(tǒng)負載電流較大（≥1A），電池阻抗上的IR下降會導致電池電壓降至刷新閾值以下并開始新的充電。充電器會因充電電流過低而終止。因此，充電器將在充電和終止之間循環(huán)。如果負載較小，電池將不得不放電到刷新閾值，從而導致更慢的循環(huán)。注意，接地的TTC引腳保持轉換器持續(xù)運行。

2.如果TTC接地，則蓄電池電壓保持在4.2 V（與使充滿電的蓄電池處于空載狀態(tài)沒有太大區(qū)別）。

3.當通過感測電阻向系統(tǒng)放電時，效率下降2-3%。

用bq24105對LiFePO4電池充電

LiFePO4電池具有許多獨特的特性，如高的熱失控溫度、放電電流能力和充電電流。這些特殊的特性使得它在許多應用中都很有吸引力，比如電動工具。建議充電電壓為3.6v，終止電流為50ma。圖15顯示了使用bq24105為單電池LiFePO4充電的應用電路。充電電壓為3.6v，充電電壓為3.516v。快速充電電流設置為1.33a，終止電流為50ma。這種電路可以很容易地改變，以支持兩個或三個單元的應用。然而，調節(jié)設定值和可充電閾值之間只有84 mV的差異，使得它在小負載電流下頻繁進入充電模式。這可以通過降低充電電壓閾值到200毫伏來解決，以便在電池再次進入充電模式之前釋放出更多的能量。更多詳情請參閱應用報告，使用bq24105/25為LiFePO4電池（SLUA443）充電。充電閾值應根據(jù)實際應用情況選擇。

切換器封裝在熱增強型MLP封裝中。該封裝包括一個熱墊，用于在IC和印刷電路板（PCB）之間提供有效的熱接觸。本包裝的完整PCB設計指南在題為：QFN/SON PCB附件（SLUA271）的應用報告中提供。

封裝熱性能最常見的測量方法是從芯片結到封裝表面（環(huán)境）周圍空氣的熱阻抗（θJA）。θJA的數(shù)學表達式為：

其中：

TJ=芯片結溫度

TA=環(huán)境溫度

P=設備功耗

影響θJA測量和計算的因素有：

•設備是否安裝在板上

•跡線尺寸、成分、厚度和幾何形狀

•設備方向（水平或垂直）

•被測設備周圍的環(huán)境空氣體積和氣流

•其他表面是否靠近被測設備

器件的功耗P是內部功率場效應晶體管的電荷率和電壓降的函數(shù)。可根據(jù)以下公式計算：

P=[Vin×lin-Vbat×Ibat]

由于鋰xx電池的充電模式，最大功耗通常出現(xiàn)在充電周期開始時，當電池電壓處于最低時。（見圖5。）

PCB布局考慮

要特別注意PCB布局。以下提供了一些指導原則：

•為了獲得最佳性能，從輸入端連接到PGND的電源輸入電容器應盡可能靠近BQ切換器。輸出電感器應直接放置在集成電路的正上方，輸出電容器連接在電感器和集成電路的PGND之間。其目的是最小化從OUT引腳到LC濾波器再回到GND引腳的電流路徑回路面積。感測電阻應靠近電感和輸出電容的交界處。將連接在R（SNS）上的檢測引線布線回IC，彼此靠近（最小化回路面積）或在相鄰層上彼此重疊（不要通過高電流路徑布線檢測引線）。如果使用長（感應）蓄電池引線，則在感應電阻器下游使用可選電容器。

•將所有小信號組件（CTTC、RSET1/2和TS）放在其各自的IC引腳附近（不要放置組件，以免布線中斷功率級電流）。所有小的控制信號應遠離大電流路徑。

•PCB應具有一個接地平面（回路），通過通孔直接連接到所有元件的回路（功率級電容器每個電容器三個通孔，IC PGND的三個通孔，小信號元件的每個電容器一個通孔）。星-地設計方法通常用于保持電路塊電流隔離（大功率/低功率小信號），從而減少噪聲耦合和接地反彈問題。一個單一的地面設計結果很好。由于這種小的布局和單一的接地平面，不存在地面反彈問題，并且將組件分離，使信號之間的耦合最小化。

•輸入和輸出引腳的高電流充電路徑的尺寸必須適合最大充電電流，以避免這些線路中的電壓降。PGND引腳應連接到接地平面，以通過內部低側FET返回電流。集成電路電源板中的熱通孔™ 提供返回路徑連接。

•BQ切換器封裝在熱增強型MLP封裝中。該封裝包括一個熱墊，用于在IC和PCB之間提供有效的熱接觸。本包裝的完整PCB設計指南在題為：QFN/SON PCB附件（SLUA271）的應用報告中提供。6個10-13密耳通孔是建議的最小數(shù)量的過孔，放置在IC的電源板上，將其連接到PWB另一側的接地熱平面。該平面的電位必須與該IC的VSS和PGND相同。

•有關良好布局的示例，請參閱用戶指南SLU200。

波形：所有波形均在Lout（IC Out引腳）處采集。VIN=7.6 V，電池設置為2.6 V、3.5 V和4.2 V三種波形。當轉換器的頂部開關打開時，波形為~7.5 V，關閉時，波形接近地面。請注意，開關邊上的振鈴很小。這是由于緊湊的布局（最小化回路面積）、屏蔽電感器（閉合鐵芯）和使用低感應范圍接地線（即，與最小回路短路）。

預充電：預充電時電流很低；因此，底部同步FET在其最短接通時間后關閉，這解釋了≉0V和-0.5V之間的階躍。當?shù)撞縁ET和頂部FET關閉時，電流通過底部FET的體二極管，導致二極管降到地電位以下。最初的負尖峰是底部場效應晶體管開啟的延遲，這是為了防止頂部場效應晶體管關閉時的擊穿電流。

快速充電：這是在恒流階段捕獲的。這兩個負尖峰是在頂部和底部fet之間切換時短暫延遲的結果。先斷后合動作可防止電流擊穿，并在斷開時間內導致體二極管降至地電位以下。

電壓調節(jié)和接近終止時的充電：注意，此波形與預充電波形相似。不同的是，蓄電池電壓較高，因此占空比略高。底部場效應晶體管保持更長的時間，因為有更多的電流負載比預充電期間；它需要更長的時間，使電感電流緩降到電流閾值，同步場效應管被禁用。

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