BQ24105-Q1是同步开关模式，锂离子和锂聚合物电荷管理集成电路（BQ开关™)

特征

•适合汽车应用

•是高效充电器设计的理想选择单电池、双电池或三电池锂离子和锂-聚合物电池组

•也适用于LiFePO4电池（参见使用bq24105为LiFePO4电池充电）

•集成同步固定频率脉宽调制控制器工作在1.1兆赫占空比为0%至100%

•充电率高达2安培的集成功率场效应晶体管

•高精度电压电流调节

•独立（内置充电管理和控制）版本

•LED或主机处理器的状态输出接口指示正在充电，充电完成、故障和交流适配器存在条件

•20-V最大额定电压输入和输出别针

•高压侧蓄电池电流感应

•电池温度监测

•低功耗的自动休眠模式

•反向漏电保护防止电池放电

•热关机和保护

•内置电池检测

•提供20针，3.5 mm×4.5 mm，QFN封装

说明

BQ切换器™ 该系列是高度集成的锂离子和锂聚合物开关模式电荷管理设备，针对广泛的便携式应用。BQ切换器™ 该系列提供集成的同步PWM控制器和功率场效应晶体管，高精度电流和电压调节，充电预处理，充电状态，和充电终端，在一个小，热增强QFN封装。

BQ开关分三个阶段给电池充电：调节、恒流和恒压。根据用户可选择的最小电流水平终止充电。可编程充电定时器为充电终止提供安全备份。如果电池电压低于内部阈值，BQ切换器会自动重新启动充电循环。当VCC电源断开时，BQ切换器自动进入休眠模式。

典型应用电路

典型运行性能

功能框图

操作流程图

详细说明

BQ切换器™ 支持用于单电池、双电池或三电池应用的精密锂离子或锂聚合物充电系统。典型的电荷分布见图4。

PWM控制器

提供241MHz集成充电电压调节功能。这种类型的控制器用于帮助改善线路瞬态响应，从而简化用于连续和不连续电流传导操作的补偿网络。电压和电流回路采用III型补偿方案进行内部补偿，该方案为稳定运行提供足够的相位升压，允许使用ESR非常低的小型陶瓷电容器。PWM斜坡底部有一个0.5伏的偏移量，允许设备在0%到100%的占空比之间工作。

内部PWM门驱动器可以直接控制PMOS和NMOS功率mosfet。高压侧栅极电压从VCC（关断时）到VCC–6（当接通且VCC大于6 V时），通过将栅极电压提高到标准5V以上，有助于降低转换器的传导损耗。低侧栅极电压从6 V波动到打开NMOS，再到PGND关闭NMO。bq24105在高压侧有两个背靠背公共漏极P-MOSFET。输入P-MOSFET防止电池放电时，IN低于BAT。第二个P-MOSFET表现为开关控制FET，不需要自举电容器。

通过内部高侧感测场效应晶体管（FET）感测循环电流限制。阈值设置为标称3.6A峰值电流。同步侧或同步侧的FET是否也有低电流限制。此阈值设置为100mA，在电流反向之前关闭低侧NMOS，防止电池放电。当低边场效应晶体管的电流大于100毫安时，采用同步操作，以尽量减少功率损耗。

温度鉴定

BQ切换器通过测量TS引脚和VSS引脚之间的电压来持续监控电池温度。负温度系数热敏电阻（NTC）和外部分压器通常产生这种电压。BQ切换器将此电压与内部阈值进行比较，以确定是否允许充电。要启动充电循环，电池温度必须在V（LTF）-V（HTF）阈值范围内。如果电池温度超出此范围，BQ切换器将暂停充电并等待，直到电池温度在V（LTF）-V（HTF）范围内。在充电周期（预充电和快速充电）期间，电池温度必须在V（LTF）-V（TCO）阈值范围内。如果电池温度超出此范围，BQ切换器将暂停充电并等待，直到电池温度在V（LTF）-V（HTF）范围内。BQ切换器通过关闭PWM并保持定时器值（即，在暂停状态下计时器不复位）来暂停充电。注意，外部电阻分压器的偏置来自VTSB输出。在TS引脚上施加V（LTF）-V（HTF）阈值之间的恒定电压将禁用温度感应功能。

蓄电池预处理（预充电）

通电时，如果电池电压低于VLOWV阈值，BQ切换器向电池施加预充电电流IPRECHG。这一特性使深放电的细胞复活。在调节阶段，BQ切换器启动安全定时器tPRECHG。如果在定时器时间内未达到VLOWV阈值，BQ切换器将关闭充电器并在STATx引脚上显示故障。在故障情况下，BQ切换器将电流减小至IDETECT。IDETECT用于检测电池更换情况。通过POR或更换电池清除故障。

预充电电流IO（PRECHG）的大小由连接到ISET2引脚的编程电阻器R（ISET2）的值决定。

其中：

RSNS是外部电流检测电阻器

V（ISET2）是ISET2引脚的输出电压

K（ISET2）是V/A增益因子

V（ISET2）和K（ISET2）在电气特性表中规定。

电池充电电流

通过设置连接到ISET1引脚的外部检测电阻器R（SNS）和电阻器R（ISET1），确定蓄电池充电电流IO（充电）。

为了设置电流，首先选择R（SNS）基于该电阻的调节阈值VIREG。当VIREG在100 mV和200 mV之间时，达到最佳精度。

如果结果不是标准的感应电阻值，请选择下一个较大的值。使用选定的标准值，求解VIREG。一旦选择了感测电阻，可使用以下方程式计算ISET1电阻器：

电池电压调节

电压调节反馈通过BAT引脚产生。该输入直接连接到电池组的正极。BQ切换器监控BAT和VSS引脚之间的电池组电压。

输出调节电压规定为：

其中R1和R2分别是从BAT到FB和FB到VSS的电阻分压器。

充电阈值电压规定为：

充电终止和充电

在充电阶段，BQ对充电电压进行监控。一旦检测到终止阈值ITERM，bqSWITCHER将终止充电。终端电流电平由连接到ISET2引脚的编程电阻器R（ISET2）的值来选择。

其中：

R（SNS）是外部电流检测电阻器

VTERM是ISET2引脚的输出

K（ISET2）是A/V增益系数

VTERM和K（ISET2）在电气特性表中指定

作为安全备份，BQ切换器还提供了一个可编程的充电计时器。充电时间由连接在TTC引脚和GND之间的电容器值按以下公式编程：

其中：

C（TTC）是连接到TTC引脚的电容器

K（TTC）是乘数

当检测到以下情况之一时，将启动新的充电循环：

•电池电压低于VRCH阈值。

•上电复位（POR），如果电池电压低于VRCH阈值

•CE开关

•TTC引脚，如下所述。

为了禁用充电终止和安全定时器，用户可以将TTC输入拉到VTTC_EN阈值以下。超过此阈值将启用终止和安全计时器功能，并重置计时器。捆绑TTC高仅禁用安全计时器。

睡眠模式

如果从电路中移除VCC引脚，BQ切换器进入低功耗休眠模式。此功能可防止在没有VCC的情况下耗尽电池电量。

充电状态输出

开路漏极STAT1和STAT2输出指示各种充电器操作，如表1所示。这些状态引脚可用于驱动LED或与主机处理器通信。注意，关表示开漏晶体管关闭。

PG输出

漏极开路PG（电源良好）指示何时存在AC-to-DC适配器（即VCC）。当检测到休眠模式退出阈值VSLP-exit时，输出打开。此输出在睡眠模式下关闭。PG引脚可用于驱动LED或与主机处理器通信。

CE输入（充电启用）

CE数字输入用于禁用或启用充电过程。A-C引脚充电电平高，并禁用此信号。此引脚上的高到低转换也会重置所有计时器和故障条件。注意，CE引脚不能拉高到VTSB电压。这可能会导致通电问题。

定时器故障恢复

如图6所示，bqSWITCHER提供了一种恢复方法来处理计时器故障情况。下面对这种方法进行了总结。

条件1：VI（BAT）高于充电阈值（VOREG-VRCH）并且发生超时故障。

恢复方法：bqSWITCHER等待电池电压低于充电阈值。这可能是由于蓄电池负载、自放电或蓄电池拆卸造成的。一旦电池低于充电阈值，BQ切换器将清除故障并进入电池缺失检测程序。POR或CE开关也可清除故障。

条件2：充电电压低于充电阈值（VOREG–VRCH），发生超时故障

恢复方法：在这种情况下，bqSWITCHER应用IDETECT电流。此小电流用于检测蓄电池拆卸情况，只要蓄电池电压保持在充电阈值以下，该电流就会保持接通。如果电池电压高于充电阈值，则BQ切换器将禁用IDETECT电流，并执行条件1中所述的恢复方法。一旦电池低于充电阈值，BQ切换器将清除故障并进入电池缺失检测程序。POR或CE开关也可清除故障。

输出过压保护

bq开关提供了一个内置的过电压保护，以保护设备和其他组件免受损坏，如果电池电压过高，如当电池突然卸下。当检测到过压情况时，此功能将关闭PWM和STATx引脚。一旦VIBAT降至充电阈值（VOREG–VRCH），故障即被清除。

电感器、电容器和感测电阻器选择指南

BQ切换器提供内部回路补偿。在这种方案下，当LC谐振频率fo约为16khz（8khz～32khz）时，稳定性最好。公式9可用于计算输出电感和电容的值。表3总结了各种收费率的典型组成值。

电池检测

对于使用可拆卸电池组的应用，bqSWITCHER提供了电池缺失检测方案，以可靠地检测电池组的插入和/或移除。

快速充电后，电池充电后，电池针脚处的电压保持在电池充电阈值（VOREG–VRCH）以上。当BAT引脚上的电压下降到充电阈值时，无论是由于电池负载还是由于电池移除，BQ切换器开始电池缺失检测测试。该测试包括启用检测电流IDISCHARGE1一段时间，并检查蓄电池电压是否低于短路阈值VSHORT。在此之后，尾流IWAKE将持续一段时间，并再次检查蓄电池电压，以确保其高于充电阈值。此电流的作用是试图关闭开路的电池组保护器（如果其中一个连接到BQ切换器）。

通过放电和充电测试表明STAT引脚处存在电池缺失故障。任何一个测试失败都会启动新的充电循环。在没有电池的情况下，电池引脚上的电压通常会在0V和VOVP阈值之间无限地上升和下降。

电池检测示例

在以下放电条件下，电池的放电量不应超过最大值：

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

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

根据这些计算，为确保电池检测方案的正常运行，建议的最大输出电容为100μF，这将允许工艺和温度变化。

图9显示了插入电池时的电池检测方案。通道3是输出信号，通道4是输出电流。输出信号在VOREG和GND之间切换，直到插入电池。一旦检测到蓄电池，输出电流将从0A增加到1.3A，这是此应用程序的编程充电电流。

图10显示了移除电池时的电池检测方案。通道3是输出信号，通道4是输出电流。当电池被取下时，由于电感器中储存的能量，输出信号会上升，并且会超过VOREG–VRCH阈值。此时输出电流为0A，IC终止充电过程，并为tDISCHG2打开IDISCHG2。这会导致输出电压降至VOREG–VRCHG阈值以下，从而触发电池缺电情况并启动电池检测方案。

电流检测放大器

提供了一种电流检测放大器功能，将充电电流转换为直流电压。图11是这个特性的框图。

ISET2引脚上的电压可用于计算充电电流。式12显示了ISET2电压和充电电流之间的关系：

此功能可用于在电流调节阶段（仅限快速充电）和电压调节阶段监测充电电流（图12）。该波形的应用电路示意图如图14所示。

BQ交换机系统设计实例

以下部分提供了bq24100的详细系统设计示例。

系统设计规范：

•VIN=16V

•VBAT=4.2V（1芯）

•ICHARGE=1.33安培

•IPRECHARGE=ITERM=133毫安

•安全计时器=5小时

•电感器纹波电流=快速充电电流的30%

•初始装料温度=0°C至45°C

1、确定指定充电电流纹波的电感器值（LOUT）：

将输出电感器设置为标准10μH。使用10μH电感器计算总纹波电流：

计算最大输出电流（峰值电流）：

使用饱和电流大于1.471A的标准10μH电感器（即Sumida CDRH74-100）。

2、使用16 kHz作为谐振频率确定输出电容值（OUT）：

使用标准值10μF，25V，X5R，±20%陶瓷电容器（即松下1206 ECJ-3YB1E106M

3、 使用以下公式确定感测电阻：

为了获得更好的电流调节精度（±10%），将VRSN设置在100 mV到200 mV之间。使用VRSNS=100 mV并计算感测电阻器的值。

这个值不是电阻的标准值。如果发生这种情况，则选择下一个较大的值，在本例中为0.1Ω。使用相同的方程式（15），实际VRSN为133mV。计算上的功耗感测电阻器：

选择标准值100 mΩ、0.25W 0805、1206或2010尺寸、高精度感应电阻器。（即Vishay CRCW1210-0R10F）

4、 使用以下公式确定ISET 1电阻器：

选择标准值7.5 kΩ，1/16W±1%电阻器（即Vishay CRCWD0603-7501-F）。

5、 使用以下公式确定ISET 2电阻器：

选择标准值7.5 kΩ，1/16W±1%电阻器（即Vishay CRCWD0603-7501-F）。

6、 使用以下公式确定5.0小时安全计时器的TTC电容器（TTC）：

选择标准值100nF，16V，X7R，±10%陶瓷电容器（即松下ECJ-1VB1C104K）。使用该电容器，实际安全计时器为4.3小时。

7、 确定工作温度范围为0°C至45°C的TS电阻网络。

假设电池组上有一个103AT NTC热敏电阻，使用以下方程式确定RT1和RT2的值：

申请信息

在不影响蓄电池充电和端接的情况下对蓄电池和供电系统进行充电。

BQ切换器被设计成一个独立的电池充电器，但是可以很容易地适应为系统负载供电，同时考虑一些小问题。

优势：

1.充电器控制器仅基于通过电流感应电阻器的电流（因此预充电、恒流和终端都能正常工作），不受系统负载的影响。

2.输入电压已从输入端转换成有效的系统电压。

3.不需要额外的外部fet来将电源切换到电池。

4.TTC引脚可以接地，以禁用终端并保持转换器运行和电池充满电，或者让切换器在电池充满时终止，然后通过感应电阻器耗尽电池。

其他问题：

1.如果系统负载电流较大（≥1A），电池阻抗上的IR下降会导致电池电压降至刷新阈值以下并开始新的充电。充电器会因充电电流过低而终止。因此，充电器将在充电和终止之间循环。如果负载较小，电池将不得不放电到刷新阈值，从而导致更慢的循环。注意，接地的TTC引脚保持转换器持续运行。

2.如果TTC接地，则蓄电池电压保持在4.2 V（与使充满电的蓄电池处于空载状态没有太大区别）。

3.当通过感测电阻向系统放电时，效率下降2-3%。

用bq24105对LiFePO4电池充电

LiFePO4电池具有许多独特的特性，如高的热失控温度、放电电流能力和充电电流。这些特殊的特性使得它在许多应用中都很有吸引力，比如电动工具。建议充电电压为3.6v，终止电流为50ma。图15显示了使用bq24105为单电池LiFePO4充电的应用电路。充电电压为3.6v，充电电压为3.516v。快速充电电流设置为1.33a，终止电流为50ma。这种电路可以很容易地改变，以支持两个或三个单元的应用。然而，调节设定值和可充电阈值之间只有84 mV的差异，使得它在小负载电流下频繁进入充电模式。这可以通过降低充电电压阈值到200毫伏来解决，以便在电池再次进入充电模式之前释放出更多的能量。更多详情请参阅应用报告，使用bq24105/25为LiFePO4电池（SLUA443）充电。充电阈值应根据实际应用情况选择。

切换器封装在热增强型MLP封装中。该封装包括一个热垫，用于在IC和印刷电路板（PCB）之间提供有效的热接触。本包装的完整PCB设计指南在题为：QFN/SON PCB附件（SLUA271）的应用报告中提供。

封装热性能最常见的测量方法是从芯片结到封装表面（环境）周围空气的热阻抗（θJA）。θJA的数学表达式为：

其中：

TJ=芯片结温度

TA=环境温度

P=设备功耗

影响θJA测量和计算的因素有：

•设备是否安装在板上

•迹线尺寸、成分、厚度和几何形状

•设备方向（水平或垂直）

•被测设备周围的环境空气体积和气流

•其他表面是否靠近被测设备

器件的功耗P是内部功率场效应晶体管的电荷率和电压降的函数。可根据以下公式计算：

P=[Vin×lin-Vbat×Ibat]

由于锂xx电池的充电模式，最大功耗通常出现在充电周期开始时，当电池电压处于最低时。（见图5。）

PCB布局考虑

要特别注意PCB布局。以下提供了一些指导原则：

•为了获得最佳性能，从输入端连接到PGND的电源输入电容器应尽可能靠近BQ切换器。输出电感器应直接放置在集成电路的正上方，输出电容器连接在电感器和集成电路的PGND之间。其目的是最小化从OUT引脚到LC滤波器再回到GND引脚的电流路径回路面积。感测电阻应靠近电感和输出电容的交界处。将连接在R（SNS）上的检测引线布线回IC，彼此靠近（最小化回路面积）或在相邻层上彼此重叠（不要通过高电流路径布线检测引线）。如果使用长（感应）蓄电池引线，则在感应电阻器下游使用可选电容器。

•将所有小信号组件（CTTC、RSET1/2和TS）放在其各自的IC引脚附近（不要放置组件，以免布线中断功率级电流）。所有小的控制信号应远离大电流路径。

•PCB应具有一个接地平面（回路），通过通孔直接连接到所有元件的回路（功率级电容器每个电容器三个通孔，IC PGND的三个通孔，小信号元件的每个电容器一个通孔）。星-地设计方法通常用于保持电路块电流隔离（大功率/低功率小信号），从而减少噪声耦合和接地反弹问题。一个单一的地面设计结果很好。由于这种小的布局和单一的接地平面，不存在地面反弹问题，并且将组件分离，使信号之间的耦合最小化。

•输入和输出引脚的高电流充电路径的尺寸必须适合最大充电电流，以避免这些线路中的电压降。PGND引脚应连接到接地平面，以通过内部低侧FET返回电流。集成电路电源板中的热通孔™ 提供返回路径连接。

•BQ切换器封装在热增强型MLP封装中。该封装包括一个热垫，用于在IC和PCB之间提供有效的热接触。本包装的完整PCB设计指南在题为：QFN/SON PCB附件（SLUA271）的应用报告中提供。6个10-13密耳通孔是建议的最小数量的过孔，放置在IC的电源板上，将其连接到PWB另一侧的接地热平面。该平面的电位必须与该IC的VSS和PGND相同。

•有关良好布局的示例，请参阅用户指南SLU200。

波形：所有波形均在Lout（IC Out引脚）处采集。VIN=7.6 V，电池设置为2.6 V、3.5 V和4.2 V三种波形。当转换器的顶部开关打开时，波形为~7.5 V，关闭时，波形接近地面。请注意，开关边上的振铃很小。这是由于紧凑的布局（最小化回路面积）、屏蔽电感器（闭合铁芯）和使用低感应范围接地线（即，与最小回路短路）。

预充电：预充电时电流很低；因此，底部同步FET在其最短接通时间后关闭，这解释了≉0V和-0.5V之间的阶跃。当底部FET和顶部FET关闭时，电流通过底部FET的体二极管，导致二极管降到地电位以下。最初的负尖峰是底部场效应晶体管开启的延迟，这是为了防止顶部场效应晶体管关闭时的击穿电流。

快速充电：这是在恒流阶段捕获的。这两个负尖峰是在顶部和底部fet之间切换时短暂延迟的结果。先断后合动作可防止电流击穿，并在断开时间内导致体二极管降至地电位以下。

电压调节和接近终止时的充电：注意，此波形与预充电波形相似。不同的是，蓄电池电压较高，因此占空比略高。底部场效应晶体管保持更长的时间，因为有更多的电流负载比预充电期间；它需要更长的时间，使电感电流缓降到电流阈值，同步场效应管被禁用。

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