Блог компании TI BQ24250 Высокоинтегрированное одноэлементное зарядное устройство для литий-ионных аккумуляторов с управлением питанием

Компания Shenzhen Mingjiada Electronics Co., Ltd. поставляет TI BQ24250 — высокоинтегрированное одноэлементное зарядное устройство для литий-ионных аккумуляторов с функцией управления путем питания.

BQ24250 — это высокоинтегрированное одноэлементное импульсное зарядное устройство для литий-ионных/литий-полимерных аккумуляторов, разработанное Texas Instruments (TI) специально для портативных миниатюрных электронных устройств. Микросхема интегрирует синхронную понижающую архитектуру зарядки, интеллектуальную систему управления путем питания, многоступенчатое управление зарядкой и полный набор схем защиты. Она обеспечивает безопасную и эффективную зарядку одноэлементных литиевых аккумуляторов и переключение питания системы без необходимости использования дополнительных сложных периферийных схем. Она идеально подходит для портативных устройств с ограниченным пространством и высокими требованиями к стабильности питания, что делает ее основным решением для управления зарядкой потребительских портативных электронных продуктов.

I. Основное позиционирование и фундаментальные преимущества BQ24250
BQ24250 является частью серии специализированных ИС управления зарядкой BQ2425x. Благодаря конструкции с одним входом питания, она совместима с различными стандартными источниками питания, включая порты USB и сетевые адаптеры переменного тока, и поддерживает максимальный зарядный ток 2 А, обеспечивая баланс между эффективностью зарядки и контролем энергопотребления. По сравнению с традиционными дискретными решениями для зарядки, ключевым преимуществом микросхемы является высокий уровень интеграции и независимая архитектура управления путем питания, которая полностью решает проблему традиционных зарядных устройств, где «аккумулятор имеет приоритет перед нагрузкой системы». Одновременно это упрощает компоновку печатной платы, снижает затраты на разработку аппаратного обеспечения и уменьшает энергопотребление готового устройства.

BQ24250 работает на фиксированной частоте переключения 1,5 МГц и может использоваться с ультратонкими индукторами толщиной 1,2 мм, что соответствует требованиям к конструкции тонких и легких портативных устройств. Она поддерживает независимый интерфейс связи I²C, обеспечивая программируемую настройку параметров зарядки и отчетность о рабочем состоянии в реальном времени, тем самым удовлетворяя точные требования к управлению питанием интеллектуальных устройств. Она также поддерживает автономный режим работы, позволяя выполнять базовые операции без необходимости использования управляющего контроллера, что делает ее подходящей для широкого спектра простых и интеллектуальных устройств.

II. Ключевые аппаратные функции и основные параметры BQ24250

2.1 Гибкая настройка диапазона входного тока
BQ24250 поддерживает переключение между несколькими диапазонами ограничения входного тока. С помощью аппаратной конфигурации или программирования через I²C ее можно установить на 100 мА, 500 мА, 900 мА, 1,5 А и 2 А. Она полностью совместима с источниками питания различной мощности, такими как USB 2.0, USB 3.0 и стандартные адаптеры, и автоматически адаптируется к выходной мощности источника питания для предотвращения перегрузки по входу и нестабильности питания. Она также поддерживает адаптеры малой мощности, тем самым снижая стоимость аксессуаров устройства.

2.2 Высокоэффективная синхронная понижающая архитектура зарядки
Микросхема использует синхронную импульсную понижающую топологию зарядки. По сравнению с линейными решениями для зарядки, это значительно снижает рассеивание тепла во время зарядки и существенно повышает эффективность преобразования при преобразовании высокого входного напряжения в низкое напряжение зарядки. Это эффективно минимизирует повышение температуры устройства и повышает общую стабильность системы. Напряжение зарядки точно соответствует стандарту для одноэлементных литий-ионных аккумуляторов, с высокой точностью регулирования напряжения, эффективно предотвращая перезаряд и недозаряд, обеспечивая при этом срок службы аккумулятора.

2.3 Работа с ультранизким энергопотреблением
Микросхема имеет режим низкого энергопотребления; когда устройство не заряжается или находится без нагрузки, оно автоматически переходит в режим низкого энергопотребления в режиме ожидания. Благодаря чрезвычайно низкому статическому энергопотреблению, она эффективно снижает саморазряд аккумулятора в периоды бездействия, тем самым продлевая срок службы аккумулятора в режиме ожидания. Это делает ее подходящей для маломощных устройств с длительным временем ожидания, таких как носимые устройства и портативные измерительные приборы.

III. Основная функция BQ24250: интеллектуальное управление путем питания (архитектура NVDC)
Управление путем питания — самая отличительная особенность BQ24250. Используя архитектуру Narrow Voltage DC Control (NVDC) и интегрируя схему Dynamic Power Path Management (DPPM), она интеллектуально переключает пути питания для динамического распределения мощности между входным источником питания, аккумулятором и нагрузкой системы, тем самым полностью оптимизируя логику питания портативных устройств.

3.1 Функция мгновенного включения при отсутствии аккумулятора или глубоком разряде
Традиционные зарядные микросхемы не могут подавать питание на нагрузку системы при глубоком разряде или отсутствии аккумулятора, что препятствует запуску устройства. В отличие от этого, архитектура управления путем питания BQ24250 обеспечивает мгновенный запуск даже при отсутствии аккумулятора или при его глубоком разряде. При подключении к внешнему источнику питания входное питание напрямую подается на нагрузку системы без необходимости использования аккумулятора, что значительно повышает гибкость работы устройства и делает его подходящим для таких сценариев, как отладка устройства, экстренное использование и замена аккумулятора.

3.2 Динамическое распределение мощности и подзарядка аккумулятора
Микросхема оснащена встроенными схемами мониторинга тока и напряжения в реальном времени, которые постоянно отслеживают выходную мощность входного источника питания и энергопотребление нагрузки системы. Когда мгновенная пиковая нагрузка превышает возможности входного источника питания, система управления путем питания автоматически активирует режим подзарядки аккумулятора, при котором аккумулятор работает совместно с входным источником питания для питания системы. Это обеспечивает стабильную работу устройства при полной нагрузке и предотвращает такие проблемы, как перезагрузка устройства или сбои, вызванные пиками мгновенного энергопотребления.

Напротив, когда входного источника питания достаточно, система отдает приоритет питанию от внешнего источника, а любой избыток мощности используется исключительно для зарядки аккумулятора. Это позволяет одновременно осуществлять питание и зарядку, максимально используя входную мощность и повышая эффективность как зарядки, так и питания. В то же время этот механизм позволяет использовать устройство с адаптером меньшей мощности, уменьшая общий размер и стоимость компонентов устройства.

3.3 Защита от стабилизации напряжения системы
Микросхема в реальном времени отслеживает выходное напряжение системы (контакт SYS). В случае внезапного изменения нагрузки, приводящего к падению напряжения системы до минимального порога (VMINSYS), схема DPPM автоматически снижает зарядный ток, чтобы обеспечить приоритет питания системы, стабилизируя рабочее напряжение и предотвращая влияние колебаний напряжения на работу прецизионных компонентов, таких как основной контроллер и датчики устройства, тем самым значительно повышая стабильность работы.

IV. Четырехступенчатый стандартный процесс зарядки литий-ионных аккумуляторов BQ24250
BQ24250 строго соответствует стандартной логике зарядки одноэлементных литий-ионных аккумуляторов, состоящей из четырех этапов: trickle charging (поддерживающая зарядка), pre-charging (предварительная зарядка), constant-current fast charging (быстрая зарядка постоянным током) и constant-voltage termination (завершение зарядки постоянным напряжением). Благодаря интеллектуальному управлению на протяжении всего процесса, она подходит для аккумуляторов в различных состояниях — включая новые, глубоко разряженные и старые элементы — обеспечивая баланс между скоростью зарядки и безопасностью аккумулятора.

4.1 Этап поддерживающей зарядки
Для аккумуляторов с чрезвычайно низким напряжением или глубоко разряженных микросхема инициирует поддерживающую зарядку малым током для постепенной реактивации элементов аккумулятора и восстановления активного материала в разряженных аккумуляторах. Это предотвращает такие проблемы, как перегрев, вздутие и повреждение, вызванные прямой зарядкой высоким током, тем самым создавая безопасную основу для последующей быстрой зарядки.

4.2 Этап предварительной зарядки
После того как напряжение аккумулятора восстановится до порогового значения, начинается этап предварительной зарядки. Зарядный ток постепенно увеличивается для стабилизации напряжения и внутреннего сопротивления аккумулятора, устранения колебаний напряжения элемента, предотвращения аномальных токов на этапе быстрой зарядки постоянным током и обеспечения плавного перехода на протяжении всего процесса зарядки.

4.3 Фаза быстрой зарядки постоянным током
После того как напряжение аккумулятора достигнет нормального диапазона, система переходит в фазу быстрой зарядки постоянным током. Энергия непрерывно подается с установленным максимальным зарядным током для быстрого увеличения уровня заряда аккумулятора, значительно сокращая общее время зарядки и удовлетворяя требования к быстрой зарядке литий-ионных аккумуляторов большой емкости.

4.4 Фаза завершения зарядки постоянным напряжением
Когда напряжение аккумулятора приближается к порогу полной зарядки, система переключается в режим зарядки постоянным напряжением. Зарядный ток постепенно уменьшается по мере насыщения аккумулятора; когда ток падает до порогового значения завершения, зарядка автоматически прекращается, полностью устраняя риск перезаряда, точно завершая цикл зарядки и защищая срок службы аккумулятора.

V. Комплексный механизм защиты BQ24250
BQ24250 оснащена полным набором схем защиты на аппаратном уровне, что исключает необходимость во внешних вспомогательных компонентах защиты. Она всесторонне снижает различные риски во время процессов зарядки и питания, повышая безопасность как устройства, так и аккумулятора, и соответствует стандартам сертификации безопасности для портативных устройств. Основные функции защиты включают:

- Защита от перенапряжения: тройная защита от входного перенапряжения, перенапряжения аккумулятора и перенапряжения на выходе системы; цепи питания и зарядки немедленно отключаются при превышении пределов;
- Защита от перегрузки по току: ограничение входного тока, защита от перегрузки по току зарядки и защита от короткого замыкания нагрузки для предотвращения повреждения микросхемы и периферийных компонентов аномальными токами;
- Защита от перегрева: встроенный мониторинг температуры автоматически снижает мощность или прекращает зарядку при превышении предельных значений температуры кристалла микросхемы и автоматически возобновляет работу после снижения температуры;
- Защита от короткого замыкания: мгновенное отключение питания при коротком замыкании в нагрузке системы или порту аккумулятора, устраняющее риск возгорания или повреждения компонентов, вызванного коротким замыканием;
- Защита от превышения времени зарядки: механизмы обнаружения превышения времени установлены для каждого этапа зарядки, чтобы предотвратить длительный перезаряд или «фантомную зарядку», вызванную тем, что аккумулятор застрял в аномальном состоянии.

VI. Основные сценарии применения BQ24250
Благодаря своим основным преимуществам высокой интеграции, компактным размерам, высокой стабильности и интеллектуальному управлению питанием, BQ24250 широко используется в различных тонких и портативных электронных продуктах с питанием от одноэлементных литиевых аккумуляторов. Типичные области применения включают: умные носимые устройства (фитнес-трекеры, смарт-часы), портативные тестеры, зарядные кейсы для беспроводных Bluetooth-наушников, небольшие устройства для умного дома, портативную потребительскую электронику и портативные медицинские устройства. Это предпочтительный чип для управления зарядкой в компактных, высокостабильных портативных устройствах.

VII. Резюме по BQ24250
TI BQ24250 — это высокопроизводительная ИС управления зарядкой одноэлементных литий-ионных аккумуляторов, ключевой особенностью которой является интеллектуальное управление путем питания NVDC, решающее отраслевые проблемы, связанные с традиционными решениями для зарядки, такие как конфликты между питанием и зарядкой, плохая стабильность нагрузки и невозможность включения без аккумулятора. Кроме того, используя такие преимущества, как высокоинтегрированная аппаратная конструкция, четырехступенчатая прецизионная логика зарядки, комплексная защита и программируемая настройка параметров, она обеспечивает баланс между простотой разработки, стабильностью устройства и сроком службы аккумулятора. Она идеально подходит для требований к питанию и зарядке различных легких, интеллектуальных портативных электронных устройств, предлагая исключительную ценность для инженерных приложений.