【導(dǎo)讀】近年來，為了方便使用，隨著越來越多的工具均采用無線化設(shè)計(jì)。因此，儲(chǔ)能元件的需求也與日俱增。在一些應(yīng)用比如掃碼槍中，會(huì)有越來越來越多的客戶考慮采用電池或者超級電容作為儲(chǔ)能元件， 鋰電池和超級電容的儲(chǔ)能原理不同，相應(yīng)的充電放電曲線也不相同，本文基于TI的BQ25798+TPS25221提出了一種能夠既給鋰電池充電，又可以給超級電容充電的方案，無需在原理圖或者Layout做任何修改，簡化客戶的研發(fā)流程。
1. 整體方案
1.1 設(shè)計(jì)需求
以掃碼槍為例，一般由充電底座和掃碼槍本體構(gòu)成，充電底座提供充電功能，掃碼槍用來實(shí)現(xiàn)掃描二維碼等功能。從供電角度來分析，充電底座中主要包括了充電芯片Charger，掃碼槍中主要包括了儲(chǔ)能芯片以后后級電路供電所需要的DCDC變換芯片。
在掃碼槍應(yīng)用中，客戶的儲(chǔ)能元件主要選擇鋰電池和超級電容兩種類型，兩種介質(zhì)充電均可分成兩個(gè)階段：恒流充電和恒壓充電，主要的區(qū)別在于超級電容可以放電至0V但是鋰電池不能放電很深并且隨著放電深度的增加內(nèi)阻會(huì)不斷上升，從而導(dǎo)致深度放電時(shí)充電的電流也需要進(jìn)行控制，這也給客戶設(shè)計(jì)同一套充電系統(tǒng)能夠既給鋰電池充電又給超級電容充電增加了難度，本文提供的設(shè)計(jì)框圖就出色地解決了這個(gè)問題，同一套方案BQ25798+TPS25221，無需進(jìn)行原理圖或者Layout的修改，即可分別給兩套儲(chǔ)能元件進(jìn)行充電，客戶僅需購買一套充電底座即可給鋰電池掃碼槍或者超級電容掃碼槍進(jìn)行充電，無需配套使用充電底座和掃碼槍。
1.2 方案框圖
圖一顯示的是BQ25798+TPS25221的整體方案設(shè)計(jì)框圖，如圖所示，BQ25798的SYS管腳連接到TPS25221的IN管腳上，BQ25798的BAT管腳連接到TPS25221的OUT管腳上，儲(chǔ)能元件鋰電池或者超級電容接在BAT線路上。相應(yīng)的掃碼槍的負(fù)載就由BAT管腳上的線路直接提供，充電底座上的負(fù)載接在Vsys上，由Vsys來提供電能。
整個(gè)系統(tǒng)的供電由接在BQ25798的VBUS管腳上的adapter或者USB來提供，經(jīng)過內(nèi)部的BUCK-BOOST電路將電能傳遞到SYS管腳，此時(shí)在SYS管腳的電能由兩條路徑可以選擇：
1）內(nèi)部的BATFET
2）外部的TPS25221
當(dāng)掃碼槍從充電底座上拿起時(shí)，整個(gè)掃碼槍系統(tǒng)的供電完全由儲(chǔ)能元件提供，當(dāng)掃碼槍放在底座上充電時(shí)，整個(gè)掃碼槍和充電底座系統(tǒng)的供電完全由Adapter或者USB提供。
Figure 1. BQ25798+TPS25221方案框圖
下文工作模式介紹中會(huì)詳細(xì)介紹系統(tǒng)是如何工作。
1.3 BQ25798介紹
BQ25798是一款完全集成的BUCK-BOOST架構(gòu)的Charger芯片，適用于1-4節(jié)鋰離子電池和鋰聚合物電池，內(nèi)部集成了包裹4個(gè)工作在開關(guān)狀態(tài)的MOSFET，輸入側(cè)和充電電流的感應(yīng)電路，給電池充電的MOSFET以及BUCK-BOOST架構(gòu)所需要的環(huán)路補(bǔ)償電路。該芯片可以為各種輸入源（包括傳統(tǒng)的USB適配器，高壓USB-PD適配器等）的電池充電，該芯片可以根據(jù)輸入電壓和電池電壓在降壓，升壓和降壓-升壓模式下無縫切換，無需主機(jī)進(jìn)行控制。該芯片提供了一個(gè)可選的雙輸入源選擇器，優(yōu)先考慮第一個(gè)可用的輸入源，主機(jī)可以使用I2C在輸入源之間進(jìn)行手動(dòng)切換。 具體描述可以參照BQ25798的datasheet獲取更多詳細(xì)信息。
1.4 TPS25221介紹
TPS25221是一款load switch芯片，使用外部的電阻器，可以設(shè)置限制的電流在275mA到2.7A（典型值）之間，在較高的電流限制設(shè)置下，ILIMIT的精度可以達(dá)到±6%。芯片會(huì)控制電源開關(guān)的上升和下降時(shí)間，以最大限度的減少開關(guān)動(dòng)作期間的電流波動(dòng)。當(dāng)負(fù)載嘗試消耗超過ILIMIT設(shè)置的最大電流時(shí)，內(nèi)部的MOSFET會(huì)進(jìn)入恒流模式，以使ILOAD保持在ILIMIT或以下。進(jìn)而可以保護(hù)電路以免承受過流風(fēng)險(xiǎn)。
2. 工作模式介紹
BQ25798+TPS25221方案按照儲(chǔ)能元件是鋰電池或者是超級電容的不同，會(huì)有相應(yīng)的充電模式，下文會(huì)做詳細(xì)介紹。
2.1 鋰電池充電模式
如下圖2所示為鋰電池充電的架構(gòu)，此時(shí)TPS25221處在Disable模式，內(nèi)部的MOSFET關(guān)斷。此時(shí)就可以等效為BQ25798作為charger給鋰電池充電，具體細(xì)節(jié)可以參考BQ25798 datasheet來獲得更多詳細(xì)信息。
Figure 2. 鋰電池充電方式
2.2 超級電容充電模式
BQ25798本身是一款鋰電池充電器，鋰電池放電深度很深時(shí)，由于鋰電池電池內(nèi)阻急劇增大，為了保護(hù)鋰電池，我們的charger會(huì)有充電電流的限制，以免鋰電池溫升過快損壞電池。如下圖3所示，當(dāng)電池的電壓過低時(shí)（放電深度過深），開始充電時(shí)可能處在涓流充電（trickle charge）或者預(yù)充電(pre-charge)階段, 這兩種狀態(tài)下的充電電流都沒有辦法達(dá)到實(shí)際設(shè)置的fast-charge電流。
Figure 3. BQ25798充電流程
但是當(dāng)儲(chǔ)能元件變?yōu)槌夒娙輹r(shí)，由于超級電容和鋰電池的物理特性不同，從充放電的角度來說，超級電容可以放電至0V，并且充電的時(shí)候并沒有因?yàn)榉烹娚疃鹊牟煌瑥亩鴮Τ潆婋娏饔胁煌拗?。所以如果只用BQ25798來給超級電容充電就會(huì)遇到兩個(gè)問題：
1）沒有辦法給放電至0V的超級電容充電。
2）當(dāng)放電深度較深時(shí)，充電時(shí)間很長。
針對以上兩個(gè)問題，結(jié)合BQ25798內(nèi)部的控制邏輯，通過增加一個(gè)外部充電回路，來使得充電電流在深度放電時(shí)不通過BQ25798內(nèi)部的BATFET，而從TPS25221提供的外部MOSFET來流向超級電容進(jìn)行充電。充電過程如下（以5V超級電容為例）：
1）超級電容電壓0-2.5V階段：此時(shí)TPS25221開啟，充電電流主要經(jīng)過TPS25221流向超級電容。
2）超級電容電壓2.5-5V階段：TPS25221開啟，充電電流經(jīng)過內(nèi)部的BATFET和外部的TPS25221流向超級電容。
充電過程1和2中的分界點(diǎn)2.5V主要是來自于BQ25798的Vsysmin最低只能支持到2.5V，在實(shí)際應(yīng)用中，可以將該值設(shè)定的高一些。但是這樣會(huì)在1階段充電時(shí)給TPS25221帶來更大的溫升問題，以2.5V為例，如果此時(shí)流經(jīng)TPS25221的電流為800mA, P=2.5*0.8=2W, 假設(shè)芯片top溫度為80C，此時(shí)junction溫度=20+2*8.7=97.4C.（8.7為TPS25221在DRV封裝下的溫升參數(shù)）。當(dāng)Vsysmin設(shè)的越高，TPS25221的junction 溫度就會(huì)越高，可能會(huì)觸發(fā)TPS25221的thermal shutdown.
Figure 4. TPS25221溫度信息
BQ25798在給5V超級電容充電時(shí)，需要將Vreg配置成2s下的5V以上，通過配置不同的百分比來配置不同的Vbat_lowv電壓，從而配置從pre charge進(jìn)入到fast charge的電壓。Vbat_lowv的值應(yīng)該低于Vsysmin這樣2階段充電時(shí)才能保證在fast charge階段。下圖為超級電容充電方式。
Figure 5. 超級電容充電方式
2.3 充電模式切換
如上文所述，當(dāng)給鋰電池充電時(shí)，BQ25798正常工作，TPS25221處在關(guān)閉狀態(tài)。當(dāng)給超級電容充電時(shí)，BQ25798和TPS25221均正常工作。當(dāng)我們需要給不同的儲(chǔ)能元件提供相應(yīng)的充電回路時(shí)，首先就需要判斷此時(shí)接進(jìn)來的儲(chǔ)能元件是鋰電池還是超級電容，本文提供一種基于TS pin的解決方式：
因?yàn)閟uper cap不需要熱敏電阻而鋰電池需要熱敏電阻來判斷是否工作正常，下圖為datasheet中有關(guān)TS pin外圍電路的接法。
Figure 6. TS外圍電路接法
當(dāng)鋰電池在位時(shí)，鋰電池內(nèi)部的熱敏電阻和外部的R1，R2在TS pin處產(chǎn)生一個(gè)隨溫度變化的電壓，假設(shè)客戶目前使用的是103AT NTC熱敏電阻，根據(jù)JEITA guideline選取T1=0C，T5=60C通過datasheet中的計(jì)算公式可以計(jì)算出RT1=5.24kohm, RT2=31.31kohm. 當(dāng)鋰電池的溫度變化時(shí)，通過測量TS pin的電壓即可知道鋰電池的溫度，同樣也可以依此來判斷鋰電池是否在位。
當(dāng)超級電容在位時(shí)，由于并沒有熱敏電阻存在，所以可以近似認(rèn)為熱敏電阻開路，阻值非常大，查閱103AT NTC的規(guī)格表，可以認(rèn)為此時(shí)溫度非常低，低于TI=0C所以此時(shí)充電會(huì)停止。但是此時(shí)實(shí)際情況是超級電容在位，通過將這里的溫度信息和整機(jī)測量的溫度信息做對比，如果整機(jī)的溫度信息正常，就需要MCU通過I2C配置REG18 bit 0[TS_IGNORE]=1來忽略掉charger的TS pin的信息。從而實(shí)現(xiàn)通過TS pin的信號來判斷是鋰電池還是超級電容。
另外，判斷出儲(chǔ)能元件之后，仍需要對TPS25221進(jìn)行控制，TPS25221自帶EN pin，所以可以通過在ENpin和GND之間并聯(lián)一個(gè)N溝道MOSFET，門級信號來自于MCU，當(dāng)MCU判斷出此時(shí)是鋰電池在位時(shí)，GPIO口輸出低電平，MOSFET關(guān)斷，EN電壓由Vsys分壓得到，處在高電平位置。
當(dāng)MCU判斷出此時(shí)是超級電容在位時(shí)，GPIO口輸出高電平，MOSFET導(dǎo)通，EN電壓經(jīng)過MOSFET直連到地，處在低電平位置，從而控制TPS25221的導(dǎo)通。
需要注意的是在超級電容在位情況下，當(dāng)進(jìn)入恒壓充電時(shí)，需要主動(dòng)關(guān)閉TPS25221, 此時(shí)可以通過BQ25798的REG3B_VBAT_ADC來得知此時(shí)的電壓值，當(dāng)電壓到達(dá)VREG的配置值之后，就通過GPIO輸出低電平信號來關(guān)斷TPS25221。
Figure7. TPS25221控制方法
3. 測試波形
使用BQ2598EVM和TPS25221EVM搭建硬件測試平臺(tái)，BQ25798是專門的鋰電池充電charger所以波形不再進(jìn)行分析，主要對BQ25798+TPS25221給超級電容充電來進(jìn)行分析。硬件測試平臺(tái)如下圖所示。
Figure 8. BQ25798+TPS25221硬件測試平臺(tái)
3.1 超級電容充電
測試條件Vbus=5V，負(fù)載為兩節(jié)超級電容串聯(lián)，滿充電壓為5V。配置TPS25221電流的上限為300mA(Rlimit=190Kohm), BQ25798的BAT管腳充電電流為500mA, Vsysmin設(shè)置為2.5V, VREG設(shè)置為5.1V, Vbat_lowv設(shè)置為15%的VREG, pre_charge電流設(shè)置為400mA, 充電中止電流為200mA。在上述條件下，BQ25798+TPS25221的測試波形如下圖所示：
Figure 9. BQ25798+TPS25221測試波形
CH1黃色表示Vsys電壓，CH2Vbat表示超級電容的電壓，CH4綠色表示的是最終流入超級電容里的電流，按圖中所示，可以分為四個(gè)階段：
1）Stage 1: 超級電容現(xiàn)在是0V狀態(tài)，TPS25221處于關(guān)閉狀態(tài)，Vsys處于配置的最低電壓值2.5V, BQ25798處于關(guān)閉狀態(tài)，并沒有給超級電容充電。
2） Stage 2: 開啟BQ25798和TPS25221, Ichg檢測到充電電流大約為400mA左右，和理論值相符。（300mA+100mA）。此時(shí)超級電容的電壓從0V開始上升，BQ25798處在trickle charge狀態(tài)，只能提供100mA電流，TPS25221提供300mA電流。需要注意此時(shí)TPS25221Vin和Vout兩端承受較大壓降，可能會(huì)出現(xiàn)thermal shutdown。
3）Stage 3: 當(dāng)超級電容的電壓達(dá)到2.5V時(shí)，進(jìn)入Stage 3。上文提到Vbat_lowv配置為15%的VREG也就是5.1V*0.15=0.765V，證明BQ25798認(rèn)為2.5V電壓已經(jīng)進(jìn)入fast charge模式，如圖7所示此時(shí)充電電流大約為800mA, 其中300mA仍由TPS25221限流提供，500mA由BQ25798的BAT管腳提供。此時(shí)Vsys電壓會(huì)隨著Vbat電壓的升高而不斷提高。
4）Stage 4: 當(dāng)Vbat電壓達(dá)到設(shè)置的VREG之后，充電狀態(tài)從恒流模式進(jìn)入恒壓模式，此時(shí)關(guān)閉TPS25221, 充電電流不斷下降，直至降低到term current 200mA，充電過程結(jié)束。
4. 參考文獻(xiàn)
1. BQ25798 Datasheet (SLUSDV2A)
2. TPS25221 Datasheet (SLVSDT3D)
來源：TI
作者：Mason Liu
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