bq25890：一款高效的单节电池快速充电管理芯片

bq25890 是德州仪器 (Texas Instruments, TI) 推出的一款高度集成的开关模式充电管理芯片，专为空间受限、对充电效率和安全性有高要求的便携式应用而设计。它主要用于对单节锂离子或锂聚合物电池进行快速充电。这款芯片凭借其高效率、多种安全保护功能以及对各种输入源的兼容性，在智能手机、平板电脑、移动电源、可穿戴设备以及其他便携式电子产品中得到了广泛应用。

1. bq25890 的核心功能与优势

bq25890 的设计理念是提供一个“一站式”的充电解决方案，它集成了多种功能，从而简化了系统设计，降低了物料成本，并提升了充电性能。

• 高效率开关模式充电： bq25890 采用同步降压 (Buck) 开关模式转换器架构。相较于传统的线性充电器，开关模式充电器具有更高的效率，这意味着在充电过程中产生的热量更少，从而延长了电池寿命，并允许更高的充电电流，实现更快的充电速度。其通常的充电效率可以达到90%以上，这对于电池容量日益增大的现代电子设备来说至关重要。

• 宽输入电压范围： 该芯片支持较宽的输入电压范围，通常为 3.9V 至 14V，这使得它能够兼容多种输入电源，例如 USB 适配器（包括标准 USB、快充协议如 QC2.0/QC3.0/USB PD 等）、墙壁适配器或移动电源。这大大增加了设计的灵活性。

• I²C 兼容接口： bq25890 通过 I²C 兼容接口与主控制器（如微控制器 MCU 或应用处理器 AP）进行通信。这使得主控制器能够实时监控充电状态、电池电压、充电电流、输入电压/电流，并能够动态调整充电参数，如充电电流、输入电流限制等，实现智能化的充电管理。

• 集成多重安全保护功能： 安全是电池充电管理的首要考虑因素。bq25890 集成了多项全面的安全保护功能，以确保充电过程的稳定和安全，包括：

• 输入过压保护 (IOVP)： 防止输入电压过高损坏芯片和连接的设备。

• 电池过压保护 (BOVP)： 防止电池充电电压超过安全限制，避免电池过充。

• 热关断 (Thermal Shutdown)： 当芯片温度超过安全阈值时，自动停止充电，防止过热损坏。

• 充电定时器： 在设定时间内未达到充满条件时，停止充电，作为额外的安全保障。

• 欠压锁定 (UVLO)： 当输入电压过低时，芯片会进入欠压锁定状态，防止不稳定的充电。

• 电池温度感应 (TS)： 通过外部热敏电阻监控电池温度，在电池过冷或过热时暂停或调整充电，以保护电池。

• 输入电流调节 (AICL) 和动态电源管理 (DPM)： 这些功能允许芯片智能地管理输入电流，防止输入电源过载。

• D+/D- 检测和输入电流优化： bq25890 具有 D+/D- 检测功能，可以识别连接的 USB 端口类型（例如，标准下行端口 SDP、充电下行端口 CDP、专用充电端口 DCP）。结合输入电流优化 (AICL) 和动态电源管理 (DPM) 功能，芯片可以根据检测到的输入源能力，自动调整输入电流限制，从而最大限度地利用可用电源，实现最快的充电速度，同时避免电源过载。

• OTG 升压模式： bq25890 支持 On-The-Go (OTG) 模式，允许设备在没有外部电源的情况下，将自身电池的电能升压输出，为其他连接的 USB 设备供电（例如，为另一部手机充电或为 USB 风扇供电）。这使得主设备可以作为移动电源使用，增加了其功能性。

• 船运模式/低功耗模式： 芯片通常具有低功耗模式，在电池充满或充电停止时，将自身功耗降至最低，以延长电池待机时间。同时，还可能支持“船运模式”，在此模式下，系统功耗被降到极低，适用于产品在运输或长期储存时保持电池电量。

2. bq25890 的工作原理

bq25890 的工作原理围绕着其开关模式降压转换器展开，并辅以各种控制和保护电路。

• 恒流/恒压 (CC/CV) 充电模式： 锂离子电池的充电过程通常分为几个阶段，bq25890 完整支持这些阶段：

• 涓流充电 (Pre-charge)： 当电池电压极低时（例如低于 3V），芯片会以一个较小的电流对电池进行预充电，以唤醒电池并将其电压提升到安全范围。

• 恒流充电 (CC Mode)： 当电池电压达到预设阈值后，芯片进入恒流模式，以设定的最大充电电流对电池进行快速充电。充电电流由外部电阻或通过 I²C 接口设定。

• 恒压充电 (CV Mode)： 当电池电压接近充满电压（通常为 4.2V 或 4.35V，取决于电池类型）时，芯片切换到恒压模式，保持电池电压恒定，同时充电电流逐渐减小。

• 充电终止： 当充电电流降至预设的终止电流（例如，最大充电电流的 1/10 或 1/15）并且电池电压保持在恒压充电电压时，充电过程终止。

• 输入电源管理： bq25890 能够智能地管理输入电源。

• 输入电流限制： 可以通过 I²C 接口或外部电阻设定输入电流限制，防止输入电源过载。

• 动态电源管理 (DPM)： 当系统负载和充电电流之和超过输入电流限制时，DPM 功能会自动降低充电电流，优先满足系统负载的需求，从而防止输入电压跌落，确保系统稳定运行。

• 最佳输入电流限制 (AICL)： 通过监测 D+/D- 引脚，芯片可以自动识别 USB 端口类型，并根据端口的最大供电能力自动调整输入电流限制，以实现最快的充电速度。

• 电池温度监控： 通过连接到 TS 引脚的热敏电阻，芯片可以实时监测电池温度。在电池温度过低（可能导致锂析出）或过高（可能加速电池老化甚至引发热失控）时，芯片会暂停充电或降低充电电流，以保护电池安全和延长寿命。

• 系统功耗路径管理： bq25890 通常具有独立的功率路径管理，这意味着它可以同时为系统供电和为电池充电。当外部电源连接时，系统可以直接从外部电源获取能量，而不需要经过电池，这可以减少电池的充放电循环次数，从而延长电池寿命。

3. bq25890 的典型应用电路与主要引脚

虽然具体的应用电路会因设计需求而异，但 bq25890 的典型应用电路通常包含以下关键组件和连接：

• 输入端 (VBUS, GND)： 连接到 USB 端口或直流电源适配器。

• 输出端 (BAT, SW, SYS)：

• BAT： 连接到电池正极。

• SW： 连接到降压转换器的电感和肖特基二极管。

• SYS： 连接到系统的电源轨。

• I²C 接口 (SCL, SDA)： 连接到主控制器，用于通信。

• 状态指示引脚 (STAT, INT)：

• STAT： 提供充电状态指示（如正在充电、充电完成、故障）。

• INT： 中断引脚，用于向主控制器发送充电状态变化或故障警报。

• 其他控制/反馈引脚：

• TS： 连接到电池热敏电阻，用于温度感应。

• EN： 使能引脚，用于控制芯片的开启/关闭。

• ILIM： 用于设定输入电流限制（也可通过 I²C）。

• OTG： OTG 模式使能引脚。

• CE： 充电使能引脚。

在典型应用中，工程师会根据电池容量、所需充电电流、输入电源类型以及系统功耗等因素，选择合适的外部电感、电容、电阻以及肖特基二极管来配合 bq25890 工作，并编写相应的固件来控制芯片。

4. bq25890 的配置与寄存器设置（I²C 接口）

bq25890 的强大功能很大程度上得益于其可编程性，这通过 I²C 接口实现。主控制器可以通过读写 bq25890 内部的寄存器来配置芯片的各种参数和读取其状态。

一些重要的可配置参数包括：

• 输入电流限制： 设置芯片允许从输入源抽取的最大电流。

• 充电电流： 设定恒流充电阶段的电流大小。

• 充电电压： 设定恒压充电的最终电压。

• 终止电流： 设置充电终止的电流阈值。

• 充电定时器： 设置最大充电时间，防止长时间充电异常。

• OTG 模式： 启用或禁用 OTG 升压模式，并配置升压输出电压和电流限制。

• 状态和故障寄存器： 读取芯片的实时状态，例如充电状态（预充电、恒流、恒压、充满）、故障类型（输入过压、电池过温等）。

通过对这些寄存器的精确控制，系统可以根据电池状态、用户需求和电源可用性动态调整充电策略，例如在电池电量较低时使用大电流快充，在电池接近充满时减小电流以保护电池，或在电池温度异常时暂停充电。

5. bq25890 的优势总结

总结来说，bq25890 是一款功能全面、性能优异的单节锂离子电池充电管理芯片，其主要优势在于：

• 高集成度： 将多种充电和保护功能集成在一个小尺寸封装中，简化了外部电路设计。

• 高效率： 开关模式充电器确保了充电过程中的低功耗和低发热。

• 高安全性： 全面的安全保护机制确保了充电过程的可靠性。

• 灵活性和可编程性： I²C 接口允许主控制器对充电参数进行灵活配置和实时监控。

• 良好的兼容性： 宽输入电压范围和 USB 端口检测功能使其能够适应各种充电输入源。

• OTG 功能： 增加了设备的通用性和便捷性。

6. 选型考虑与设计注意事项

在将 bq25890 应用到实际产品中时，工程师需要考虑以下几个方面：

• 电池特性匹配： 确保 bq25890 的充电参数（如最大充电电压、终止电流）与所选锂离子电池的规格完全匹配，以确保电池安全和寿命。

• 热管理： 尽管 bq25890 效率高，但在高电流充电时仍会产生一定的热量。因此，在 PCB 布局时需要充分考虑散热，例如使用大面积的铜箔进行散热，或在必要时增加散热片。

• 输入电源能力： 确保所选的外部电源适配器或 USB 端口能够提供 bq25890 所需的最大输入电流，以实现最快的充电速度。

• I²C 通信： 确保主控制器与 bq25890 之间的 I²C 通信稳定可靠，软件驱动需要正确配置和处理。

• 外部元件选择： 根据数据手册的建议，选择合适的电感、输入/输出电容以及肖特基二极管，这些元件的参数（如ESR、饱和电流、额定电压等）会直接影响充电性能和效率。

• EMI/EMC： 由于是开关模式转换器，需要注意电磁干扰 (EMI) 和电磁兼容性 (EMC) 问题。合理的 PCB 布局和元件选择有助于降低 EMI。

总而言之，bq25890 是一款功能强大且广泛应用的充电管理解决方案，它为现代便携式电子设备提供了高效、安全、智能的电池充电能力。理解其核心功能、工作原理和配置方法对于设计高性能的电源管理系统至关重要。