Микросхема контроллера bq2403xx фирмы Texas Instruments принадлежит семейству bqTINY™ III-series, и предназначена для интеллектуальных линейных (не импульсных) устройств зарядки Li-ion аккумуляторов и управления подачей питания в миниатюрных, портативных устройствах. Может применяться в смартфонах, PDA, плеерах MP3, переносных ручных цифровых фотокамерах и видеокамерах, приложениях для Интернет.

В микросхемах bqTINY™ III-series реализовано управление передачей питания от порта USB, внешнего источника постоянного тока DC (сетевой блок питания AC) и встроенного в прибор аккумулятора. В миниатюрном корпусе микросхемы размещены мощные регулирующие транзисторы FET и датчики тока, имеется высокоточная регулировка тока и напряжения, детектирование состояния процесса зарядки и его окончания. Все это реализовано в одной высокоинтегрированной микросхеме.

[Возможности микросхем bqTINY™ III-series]

- Миниатюрный корпус QFN размером 3.5 x 4.5 mm.
- Разработана для применения в портативных устройствах, питающихся от одноячеечной батареи Li-Ion или Li-Polymer.
- Встроено динамическое управление распределением питания (DPPM, Dynamic Power-Path Management). DPPM позволяет внешнему блоку питания AC вместе с портом USB одновременно как запитывать всю систему, так и обеспечивать зарядку батареи аккумуляторов.
- Режим поддержки питания (Power Supplement Mode) позволяет с помощью аккумулятора обеспечить бесперебойное питание от адаптера AC и/или USB.
- Автономный выбор источника питания (от адаптера AC или от USB).
- Встроенное управление зарядкой от USB с возможностью выбора ограничения регулируемого тока зарядки 100 mA или 500 mA.
- Динамическое регулирование тока, потребляемого от USB.
- Поддержка до 2A суммарного управляемого тока.
- Встроенный стабилизатор напряжения на 3.3 V с малым падением напряжения между входом и выходом (LDO, Low Drop Out).
- Управление зарядом по датчику температуры.
- Выводится состояние зарядки на специальные светодиоды LED - для отображения изменений в процессе заряда или ошибок.
- Встроена защита от обратного тока, короткого замыкания, перегрева микросхемы.
- Имеется выход статуса о наличии корректного питания Power Good (подключен AC адаптер и/или порт USB).
- Имеются разновидности микросхем на различные напряжения заряда 4.1V, 4.2V или 4.36V.

[Описание bqTINY™ III-series]

Микросхема bqTINY™ III-series одновременно как запитывает через себя всю систему (устройство, в котором используется), так и обеспечивает зарядку аккумулятора. Оба процесса работают одновременно и независимо друг от друга. Эта особенность микросхемы уменьшает количество циклов заряда и разряда батареи (что продлевает её срок службы), обеспечивает корректную остановку процесса заряда и позволяет системе запуститься даже при полностью разряженном аккумуляторе (или при его отсутствии). Микросхема разработана для длительной, непрерывной подачи питания на систему от доступных в настоящих момент источников - адаптера AC, порта USB или батареи аккумуляторов.

Диаграмма распределения питания (POWER FLOW DIAGRAM)

Примечания:

(1) См. рис. 2 и функциональную блочную диаграмму микросхемы для получения подробной информации.
(2) Встроенные защитные обратные диоды транзисторов P-FET отсоединены для предотвращения замыкания.

Логический уровень на входе выбора питания PSEL задает, какой входной источник питания будет использован в первую очередь (т. е. как главный источник мощности) - AC или USB. Если главный источник питания отключен, то микросхема автоматически переключается на вторичный источник питания (если он доступен) или на батарею аккумуляторов в качестве последнего варианта питания. Если PSEL в лог. 0, то главным (первичным) источником является USB, и если он отключен, будет выбран вход AC (если он доступен, конечно). В случае выбора источника USB максимальный ток потребления программируется либо на 100, либо на 500 мА. Возможность управлять PSEL позволяет использовать только один входной коннектор, при этом хост (управляющий микроконтроллер) программирует состояние PSEL в соответствии с подключенным источником питания (адаптер AC или порт USB).

В микросхеме bq24038 вывод ~USBPG заменен на VBSEL, что позволяет пользователю выбрать напряжение зарядки. Дополнительно в bq24038 вывод ~ACPG модифицирован на ~PG. Вывод ~PG имеет активным уровень лог. 0, когда определено корректное питание либо AC, либо USB.

Ножка ISET1 программирует константу быстрого заряда батареи с помощью внешнего резистора. Во время нормальной работы от AC источник питания предоставляет мощность одновременно на вывод OUT (для питания системы) и на вывод BAT. Для пиковой или чрезмерной нагрузки (обычно при работе от USB, PSEL=low), которая может привести превышению предела тока (или тока Q3 USB FET) возможно падение напряжения источника питания и системы, в этом случае технология DPPM уменьшает ток зарядки в попытке предотвратить любое дальнейшее падение напряжения питания системы. Это дает возможность использовать адаптер питания с пониженной мощностью, основываясь на средней нагрузке (I_SYS-AVG + I_BAT-PGM), а не на высокой пиковой переходной нагрузке.

[Абсолютные предельные значения ABSOLUTE MAXIMUM RATINGS (1)]

Все режимы указаны для температуры окружающего воздуха (если не указано обратное).

Примечания:

(1) Стрессовая нагрузка, указанная в этой таблице, может привести к полному повреждению чипа. В этой таблице указаны только стрессовый рейтинг, и функционирование устройства в этих или еще более худших условиях не будет соответствовать работе в условиях рекомендованного рабочего режима (см. таблицу ниже). Все значения напряжений указаны относительно цепи земли, за исключением случаев, когда указано другое.
(2) Отрицательный ток определен как ток в ножку BAT.

[Рекомендованный рабочий режим]

Примечания:

(1) V_CC определено как самая большая величина из величин AC или USB.
(2) Проверьте, что мощность рассеяния и температуры кристалла (junction temperature) находятся внутри пределов при максимальном V_CC.

[Мощность рассеяния]

Примечание:

(1) Эти данные основаны на использовании платы JEDEC High-K и подставленная теплоотводящая площадка (die pad) соединена с площадкой меди на плате. Она соединена с заливкой медью (ground plane) матрицей переходных отверстий 2x3.

[Электрические характеристики]

В таблице представлены характеристики в диапазоне рабочих температур от 0 до 125 градусов Цельсия, в рекомендованном диапазоне питающих напряжений (если не указано что-то другое).

Примечания:

(1) Это включает ток покоя встроенного LDO (регулятора напряжения 3.3V).
(2) В режиме standby (CE low) точность +-10%.
(3) Конденсатор на выходе LDO не требуется, однако рекомендуется поставить на 0.1 мкФ.
(4) Когда питание подключено на вывод USB, и PSEL=0, вход USB переключается напрямую на ножку OUT (никакой регулировки не происходит). Это напряжение может упасть до уровня порога DPPM-OUT или до уровня напряжения батареи (какое из них выше), если активировалось ограничение тока USB.
(5) V_{(DPPM_SET)} масштабируется вверх на множитель для управления выходным напряжением V_(DPPM-REG).
(6) V_DO(max) падение напряжения является функцией открытого сопротивления FET R_DS(on) и протекающего тока. Падение напряжения увеличивается пропорционально току.
(7) R_DS(on) транзистора FET Q3 вычисляется по формуле (V_USB – V_OUT) / (I_OUT + I_BAT) когда I_I(USB) ? I_I(USB-MIN) (транзистор FET полностью открыт, не находится в режиме регулирования).
(8) Все времена переходных процессов (deglitch period) являются функцией настроек таймера и модифицируются в режимах DPPM или температурных режимах регулирования по процентам уменьшения запрограммированного тока.
(9) Когда входной ток остается в пределах 2A. ток зарядки батареи может расти, пока не достигнет предела по температурной регулировке.
(10) Для вдвое сниженной скорости зарядки (half-charge rate) V_(SET) равно 1.25 V ± 25 mV только для микросхем bq24032A/38.
(11) Спецификация приведена для мониторинга тока зарядки через ножку ISET1 в режиме регулировки напряжения, не для сниженного уровня быстрой зарядки.
(12) Когда PSEL=low, микросхема bqTINY III-series по умолчанию использует зарядку от USB. Если напряжение на входе USB ? V_BAT, то зарядка идет от входа AC с установленным током зарядки для USB. В этой конфигурации будет минимальным ток 400 mA и максимальным 500 mA.
(13) Когда PSEL=low, микросхема bqTINY III-series по умолчанию использует зарядку от USB. Если напряжение на входе USB ? V_BAT, то зарядка идет от входа AC с установленным током зарядки для USB. В этой конфигурации будет минимальным ток 80 mA и максимальным 100 mA.
(14) Все времена переходных процессов (deglitch period) являются функцией настроек таймера и модифицируются в режимах DPPM или температурных режимах регулирования по процентам уменьшения запрограммированного тока.
(15) См. спецификации режима сна модуля зарядки (Charger Sleep mode) для ~ACPG (V_CC=V_AC) и ~USBPG (V_CC=V_USB).
(16) Для запрета защитного таймера быстрой зарядки и прекращения зарядки замкните вывод TMR на выход LDO. Подача на TMR высокого логического уровня меняет времязадающий внешний резистор на внутренний 50 кОм +-25%, который может добавить дополнительную погрешность ко всем спецификациям времени. Вывод TMR нормально отрегулирован на 2.5V, когда ток зарядки не ограничен системой DPPM или системами терморегулирования. Если эти системы регулирования становятся активными, напряжение на TMR может уменьшиться пропорционально уменьшению тока зарядки, и тактовая частота также снизится на тот же процент (задержки времени увеличатся). Предел для TMR составляет 0.8V, максимальное увеличение времени составит 2.5V / 0.8V = 310%.
(17) Для микросхемы приято, что режим сна когда оба напряжения AC и USB отсутствуют (ACPG = USBPG = OPEN DRAIN, открытый сток).
(18) Режим сна не объявляется до завершения deglitch time и реализует необходимую передачу мощности сразу согласно спецификации переключения.
(19) Режим необратимого отключения питания (power handoff) индицируется переходом ножки ~PG в состояние лог. 1 (источники питания отключены), когда напряжение на входах отключенных источников питания падает до напряжения батареи. Если напряжение батареи критически снижено, система может потерять питание, если оно не примет управление ножкой PSEL на себя и не переключится на доступный источник питания перед выключением. Часто источник USB имеет меньше мощности по току; так например, система может уменьшить нагрузку путем переключения с AC на USB (прим. переводчика: может, опечатка - имелось в виду переключение с USB на AC?).
(20) Активация режима температурной регулировки уменьшает ток зарядки. Ток питания от батареи не ограничивается ни терморегулированием, ни выключением. Транзисторы на входах питания выключаются при выключении по температурной перегрузке. Транзистор FET батареи защищен только пределом тока короткого замыкания, который обычно не приводит к выключению из-за перегрева (при перегреве входные FET закрываются).

[Цоколевка (DEVICE INFORMATION) микросхем bq24030RHL .. bq24038RHL]

Корпус RHL, вид сверху (TOP VIEW)

Примечания:

(1) Выв. 18 носит функцию ~PG для bq24038 и ~ACPG для bq4030/31/32A/35.
(2) Выв. 19 носит функцию VBSEL для bq24038 и ~USBPG для bq4030/31/32A/35.

Функциональная блоковая диаграмма только для bq24030/31/32A/35.

Примечание:

(1) Отличие bq24038 от bq24030/31/32A/35: в микросхеме bq24038 заменен сигнал ~USBPG на VBSEL, что позволяет пользователю выбрать напряжение заряда. Кроме того, в микросхеме bq24038 заменен сигнал ~ACPG на ~PG. Сигнал ~PG (Power Good) находится в активном лог. 0, когда имеется в наличии допустимое питание AC или USB.

[Функциональное описание - управление процессом зарядки]

Микросхемы bqTINY III-series поддерживают высокоточную систему зарядки, предназначенную для переносных устройств с одноячеечной Li-ion или Li-polymer батареей. См. типичный профиль зарядки, пример схемы включения, алгоритм работы на рисунках 1..3 соответственно.

Рис. 1. Диаграмма (профиль) процесса зарядки.

Рис. 2. Типовая схема включения.

Рис. 2-a. Типовая реальная схема включения BQ24032A.

Примечание к рис. 2-a. Выходные сигналы ~USBPG и ~ACPG имеют выходы с открытым коллектором, поэтому требуют наличия нагрузочных резисторов (pull-up). Последовательно с питанием, которое подается от сетевого адаптера на вход AC можно поставить защитный диод Шоттки, который предотвратит порчу схемы при ошибке в полярности. Светодиоды, подключенные к STAT1 и STAT2 показывают статус заряда (когда горит красный, то заряд идет, когда зеленый - заряд окончен). Их можно заменить на один двухцветный светодиод с общим анодом, например ARL-3514EGW/3L. Входные логические сигналы ISET2 и PSEL можно задать всегда в лог. 1, это будет означать максимальный ток зарядки от USB 0.5A и приоритет выбора входа AC соответственно. В качестве Battery Pack (блок аккумуляторов) были применены 3 аккумулятора 3.75V Li-Ion ICR18650H на 2900 ма/ч каждый, соединенные параллельно. В качестве терморезистора применен NTSA0XH103FE1B0 на 10 кОм.

Рис. 3. Алгоритм работы управлением процессом заряда.

[Автономный выбор источника питания, вывод управления PSEL]

Вывод PSEL является управляющим входом, и сигнал на нем выбирает приоритет входов питания AC и USB. Если PSEL = 1, то приоритет имеет AC, если PSEL = 0, то приоритет имеет USB. Приоритетный источник является первичным, а неприоритетный - вторичным источником питания. Если первичный источник недоступен (доступность источников отображается сигналами ~ACPG, ~USBPG), то в качестве источника питания выбирается вторичный. Если недоступен ни первичный, ни вторичный источники питания, то питание подается на обслуживаемую систему от батареи. Когда на входе PSEL лог. 1, микросхема bqTINY III-series пытается заряжать батарею от входа AC. Если питание на AC отсутствует, для зарядки выбирается вход USB. Если имеется питание на обоих входах - и AC, и USB - то в случае PSEL = 1 приоритет для зарядки имеет AC. Когда на входе PSEL лог. 0, микросхема выбирает по умолчанию для зарядки вход USB. Если вход USB заземлен (прим. переводчика - наверное имеется в виду, что напряжение на нем равно нулю или близко к нулю), то микросхема при PSEL = 0 использует для зарядки вход AC, однако в этом случае ток зарядки (charge rate) выбирается таким, как задано для USB (как выбрано входом ISET2). Эта функция может быть использована в системе, где выбор источника питания AC и USB может быть сделан по месту использования. Все вышеописанное наглядно представлено в таблице 1.

Примечания:

(1) Ток зарядки батареи всегда устанавливается через вход ISET1, однако ток зарядки может быть ограничен при использовании ограниченного по мощности входа питания (ISET2 режима USB) и тока нагрузки I_OUT, который потребляет запитываемая система.
(2) "Есть" означает, что на указанном входе питания имеется напряжение, превышающее напряжение батареи BAT (соответствующий выход ~ACPG или ~USBPG имеет низкий лог. уровень).
(3) "AC нет" означает, что на входе AC отсутствует напряжение (выход ~ACPG находится в лог. 1), или транзистор Q1 закрыт защитой от превышения напряжения в bq24035.

[Последовательность включения при подаче питания (Boot-Up Sequence)]

Чтобы упростить запуск системы и энумерацию USB, микросхема bqTINY III-series имеет запатентованную последовательность Boot-Up. Эта технология после первой подачи питания на микросхему разрешает 100 мА ток заряда на время примерно 150 мс (t_(BOOT-UP)), игнорируя установку, заданную входами ISET2 и CE. По окончании этого периода bqTINY III-series вводит в действие установки ISET2 и CE. В таблице 1 показано функционирование, когда эта возможность разрешена. См. также рисунок 13.

[Распределение мощности питания (Power-Path Management)]

Микросхема bqTINY III-series запитывает обслуживаемую систему независимо от зарядки батареи. Эта возможность уменьшает количество циклов зарядки и разрядки батареи, позволяет корректно завершить зарядку, и позволяет запитываемой системе работать с глубоко разряженным или отсутствующим аккумулятором. Эта возможность работает следующим образом (в этом описании подразумевается, что на PSEL присутствует лог. 1).

Рисунок 4. Распределение мощности питания

[Случай 1: режим AC (PSEL=1)]

Питание обслуживаемой системы (System Power)

В этом случае питание системы поступает непосредственно от AC через внутренний транзистор Q1 (см. рисунок 4). Для микросхем bq24030/31 транзистор Q1 работает как выключатель, пока вход AC остается на уровне 6V или ниже (V_O(OUT-REG)). Как только напряжение на AC становится выше 6 V, транзистор Q1 начинает регулировать выходное напряжение до уровня 6V. Для bq24035 как только напряжение AC становится выше V_CUT-OFF (~6.4 V), Q1 закрывается. Для bq24032A/38 выход регулируется на напряжении 4.4V от входа AC. Имейте в виду, что Q3 выключается для обоих чипов. Если ток потребления системы превышает возможности источника питания, то выходное напряжение падает до напряжения батареи.

Управление зарядкой (Charge Control)

Когда присутствует питание на AC, батарея заряжается через ключ Q2 током зарядки, заданным входом ISET1.

Dynamic Power-Path Management (DPPM)

Технология DPPM мониторит выходное напряжение (напряжение питания обслуживаемой системы) на предмет пропадания питания по причине снижения напряжения brownout, ограничения тока или удаления источника питания. Если напряжение на выходе OUT падает до предустановленной величины V_(DPPM-SET) * SF из-за ограниченной нагрузочной способности входного питания, то ток зарядки уменьшается, пока снижение напряжения на OUT не завершится. DPPM пытается достичь стабильного состояния, когда запитываемая система получает нужный ток, и при этом батарея заряжается остающимся током. Нет активных пределов управления током для системы; таким образом, если система запрашивает ток больше, чем может предоставить входной источник питания, то выходное напряжение OUT падает до напряжения батареи, и транзистор Q2 открывается для предоставления тока питания системы. DPPM имеет три главных достоинства.

1. DPPM позволяет разработчику выбрать сетевой адаптер питания с пониженной мощностью, если средняя потребляемая системой мощность вполне сравнима с пиковой мощностью адаптера. Например, если пиковая нагрузка системы составляет 1.75A, средняя нагрузка системы составляет 0.5A, и ток быстрой зарядки равен 1.25A, то общая пиковая мощность составит 3A. С системой DPPM вполне подойдет адаптер на ток 2A вместо адаптера на 3.25A, который пришлось бы применить без DPPM. Во время пиковой системной нагрузки 1.75A и токе зарядки 1.25A маломощный адаптер снизит выходное напряжение, пока оно не достигнет порога регулирования DPPM. Ток заряда уменьшится, пока не перестанет падать выходное напряжение микросхемы (выв. OUT, с которого питание подается на обслуживаемую систему). Система получит необходимый ток нагрузки 1.75A, при этом ток заряда снизится с 1.25A до 0.25A. Когда пиковая нагрузка системы снизится до 0.5A, ток зарядки вернется к значению 1A и выходное напряжение вернется к нормальной величине.

2. Использование DPPM предоставляет экономию мощности в сравнении с системой без DPPM. Без DPPM если ток системы + ток зарядки превысит предел для источника питания, выходная мощность будет подаваться от батареи. Линейные зарядные устройства рассеивают неиспользуемую мощность, равную (V_IN - V_OUT) * I_LOAD. Ток остается высоким (на пределе тока источника питания), и падение напряжения на регуляторе тоже высокое, поэтому бесполезно рассеиваемая мощность также высока. При использовании DPPM падение напряжения на зарядном устройстве меньше (V_IN - V_(DPPM-REG)), и система становится более эффективной. Эффективность заряда аккумулятора одинаковая для обоих случаев. Выигрыш включает меньшую рассеиваемую мощность, снижение температуры системы, улучшение общей эффективности.

3. DPPM поддерживает системное напряжение, защищая его от падения по любым причинам, если вообще возможно. Это делается за счет снижения некритичной нагрузки зарядки при достижении максимальной потребляемой от адаптера мощности.

Напряжение DPPM, V_(DPPM-REG) рассчитывается по следующей формуле:

R_(DPPM) сопротивление внешнего резистора, подключенного между ножками DPPM и VSS.
I_(DPPM) ток от внутреннего источника тока.
SF множитель (scale factor), указанный в таблице спецификации.

Таймер безопасности (safety timer) динамически подстраивается в режиме DPPM. Напряжение на выводе ISET1 прямо пропорционально запрограммированному току зарядки. Когда запрограммированный ток зарядки снижается системой DPPM, напряжения на выводах ISET1 и TMR также снижаются и тактовая частота таймера пропорционально снижается, увеличивая время безопасности (safety time). В нормальном режиме работы V(TMR) = 2.5V. Когда тактовая частота снижается, то V(TMR) становится меньше. Например, если V(TMR) = 1.25V, значение таймера примерно соответствует двойному значению нормального состояния таймера. См. рисунки 5..8.

[Случай 2: режим USB (PSEL=0) для микросхем bq2430/31/32A/38]

Питание обслуживаемой системы (System Power)

В этом случае обслуживаемая система запитана напрямую от порта USB через внутренний ключ Q3 (см. рисунок 14). Имейте в виду, что Q3 регулирует общий потребляемый ток до уровня 100 или 500 mA, в соответствии с лог. состоянием входа ISET2. В этом режиме Q1 закрыт. Если ток потребления системой и ток зарядки батареи суммарно не превышает выбранный предел регулировки (100 или 500 mA), то Q3 полностью открыт, выходное напряжение VOUT приблизительно равно (V_(USB) - V_(USB-DO)). Управление питанием в обслуживаемой системе отвечает за поддержание своего потребления ниже выбранного уровня тока USB, если батарея критически разряжена или отсутствует. Иначе выходное напряжение упадет до напряжения батареи; таким образом, система должна иметь возможность перейти режим пониженного энергопотребления при работе от USB. Технология DPPM предотвращает падение выходного напряжения ниже запрограммированного уровня за счет снижения тока зарядки.

Управление зарядкой (Charge Control)

Когда имеется подключение к USB и вход питания от USB выбран, Q3 регулирует входной ток в соответствии с уровнем на входе ISET2 (0.1A или 0.5A). Ток заряда батареи устанавливается резистором, подключенным к ISET1 (обычно ток заряда > 0.5A). Так как ток заряда обычно установлен выше, чем позволяет регулирование Q3, выходное напряжение падает до напряжения батареи или до уровня DPPM, в зависимости от того, какое из них больше. Если первым достигнут порог DPPM, то ток зарядки уменьшается до тех пор, пока не прекратится падение V_OUT. Если V_OUT падает до напряжения батареи, то батарея имеет возможность поддержать ток питания системы.

Dynamic Power-Path Management (DPPM)

Теория работы та же самая, как описано в случае 1, за исключением того, что Q3 ограничивает входной ток, который передается на выход в систему, и батарея используется для питания.

Напряжение DPPM, V_(DPPM-REG), программируется по формуле:

и

R_(DPPM) сопротивление внешнего резистора, подключенного между ножками DPPM и VSS.
I_(DPPM) ток от внутреннего источника тока.
SF множитель (scale factor), указанный в таблице спецификации.

Графики режима DPPM

Напряжение V_(DPPM-SET) на выводе DPPM определяется величиной внешнего резистора R_(DPPM). Выходное напряжение V_(OUT), которое регулирует DPPM, это V_(DPPM-REG). Например, если R_(DPPM) равно 33 кОм, то напряжение V_(DPPM-SET) на выводе DPPM равно 3.3V (поскольку обычно I_(DPPM-SET) = 100 mkA). Функция DPPM пытается сохранить уровень напряжения V_(OUT) от падения ниже V_(DPPM-REG), для этого примера 3.795V (типичное SF=1.15).

На рисунке 5 показаны режимы поддержки питания DPPM и батареи при росте тока на выходе (I_OUT). На графике канал 1 (CH1) VAC=5.4V, канал 2 (CH2) V_OUT, канал 3 (CH3) I_OUT (изменяется от 0A до 2.2A и обратно до 0A), канал 4 (CH4) V_BAT=3.5V, ток заряда I_(PGM-CHG)=1A. В обычном режиме работы bq24032A (V_OUT=4.4 V_reg) на адаптере AC происходит перегрузка по току и восстановление. Вход AC установлен примерно на 5.1V (максимальный предел тока 1.5A), ток зарядки I_(CHG)=1A, V_(DPPM-SET)=3.7V, V_(DPPM-OUT) = 1.15*V_(DPPM-SET) = 4.26V, V_BAT = 3.5V, PSEL = H, и вход USB не подключен. Выходная нагрузка увеличивается от 0A до примерно 2.2A и обратно до 0A, как показано внизу диаграммы. При достижении выходного тока I_OUT до 0.5A, поскольку ток заряда запрограммирован на 1A, AC адаптер начинает ограничивать ток, выходное напряжение падает до порога DPPM-OUT 4.26V. Это режим DPPM. Вход AC отслеживает выходное напряжение путем падения напряжения на AC FET транзисторе. Ток заряда батареи тогда при необходимости подстраивается обратно, чтобы предотвратить дальнейшее падение выходного напряжения. Как только выходная нагрузка превысит входной ток, батарея также поддерживает превышение тока и выходное напряжение падает только до напряжения батареи минус падение напряжения на транзисторе FET батареи. Это режим поддержки питания батареей. Когда выходной ток нагрузки уменьшится, то описанная операция повторяется в обратном порядке, что показано на рисунке. Если V_(DPPM-REG) установлено ниже напряжения батареи, то при превышении входного тока выходное напряжение сразу падает до напряжения батареи.

При работе от USB, когда нагрузка превысит установленный порог входного тока, можно наблюдать похожую картину. Если выходная нагрузка превысит доступный ток USB, выход непосредственно переходит в режим питания от батареи.

Рисунок 5. Режим DPPM и режим поддержки питания батареей

Рисунок 6 показывает ситуацию, когда PSEL переключается в лог. 0 на время 500 мкс. Передача мощности переключается от AC к USB и обратно к AC. На рисунке канал 1 (CH1) VAC=5.4V, канал 2 (CH2) V_(USB)=5V, канал 3 (CH3) V_OUT, выходной ток I_OUT=0.25A, канал 4 (CH4) V_BAT=3.5V, ток заряда I_(PGM-CHG)=1A. Выключение активного источника мощности перед подключением заменяющего источника мощности называется break-before-make (переключение с обрывом питания до восстановления). Скорость разряда на выходе является функцией емкости системы и нагрузки. Имейте в виду, что под нагрузкой внутреннее сопротивление кабеля IR вызывают падение напряжения на входах AC и USB. На 4-м делении диаграммы выход достигает состояния устойчивой работы на напряжении V_(DPPM-REG), ток заряда уменьшается из-за ограниченного тока по входу USB. На 6-м делении PSEL снова становится в лог. 1, и транзистор FET USB закрывается, и затем открывается транзистор FET AC. Напряжение на выходе возвращается в свое регулируемое значение, и батарея продолжает зарядку запрограммированным значением тока.

Рисунок 6. Импульс лог. 0 на PSEL

Рисунок 7 показывает ситуацию, когда AC отключается, потребление мощности переходит на USB. PSEL=H (вход AC является первичным источником питания), канал 1 (CH1) VAC=5.4V, канал 2 (CH2) V_(USB)=5V, канал 3 (CH3) V_OUT, выходной ток I_OUT=0.25A, канал 4 (CH4) V_BAT=3.5V, ток заряда I_(PGM-CHG)=1A. Потребление мощности переходит от AC на USB только после того, как принято решение, что первичный источник AC становится плохим (когда входное напряжение V_AC ? V_BAT+0.125V), что показывает высокий лог. уровень на ~ACPG (транзистор FET, дающий выход с открытым стоком, закрывается). Таким образом, выходное напряжение падает до напряжения батареи перед тем, как подключится мощность со входа USB (6-е деление на осциллограмме). Выходное напряжение начинает восстанавливаться, когда силовой FET входа USB начнет ограничивать входной ток (7-е деление на осциллограмме), и выходное напряжение падает до порогового уровня V_(DPPM-REG).

Рисунок 7. Удаление мощности на AC, потребление переходит на USB

Рисунок 8 показывает ситуацию, когда AC отключается при разряженной батарее, потребление мощности переходит на USB. PSEL=H (вход AC является первичным источником питания), канал 1 (CH1) VAC=5.4V, канал 2 (CH2) V_(USB)=5V, канал 3 (CH3) V_OUT, выходной ток I_OUT=0.25A, канал 4 (CH4) V_BAT=2.25V, ток заряда I_(PGM-CHG)=1A. Рисунок примерно такой же, как рисунок 6, на котором батарея имеет больше заряд. Обратите внимание, что выходное напряжение падает до напряжения батареи перед переключением на питание от USB. Резисторный делитель между AC и землей, подключенный к PSEL, может ускорить при необходимости передачу мощности.

Рисунок 8. Удаление мощности на AC при разряженной батарее, потребление переходит на USB

Рисунок 9 показывает ситуацию, когда подключается AC, потребление мощности переходит от USB к AC. PSEL=H (вход AC является первичным источником питания), канал 1 (CH1) VAC=5.4V, канал 2 (CH2) V_(USB)=5V, канал 3 (CH3) V_OUT, выходной ток I_OUT=0.25A, канал 4 (CH4) V_BAT=3.5V, ток заряда I_(PGM-CHG)=1A. Узел зарядки установлен на приоритет AC, однако AC был отключен, и зарядка пока идет от USB. Когда на AC подключено питание (1-е деление диаграммы на рисунке) и транзистор USB FET закрылся (2-е деление), AC FET открывается (3-е деление) и выход восстанавливается от порога DPPM (8-е деление).

Рисунок 9. Подключение мощности к AC, потребление переходит на AC

Рисунок 10 показывает ситуацию, когда отключается USB, потребление мощности переходит от USB к AC. PSEL=L (вход USB является первичным источником питания), канал 1 (CH1) VAC=5.4V, канал 2 (CH2) V_(USB)=5V, канал 3 (CH3) V_OUT, выходной ток I_OUT=0.25A, канал 4 (CH4) V_BAT=3.5V, ток заряда I_(PGM-CHG)=1A. Источник питания USB удаляется (2-е деление), и напряжение на выходе падает до напряжения батареи (4 деление, выход ~USBPG лог. 1 показывает, что питание USB плохое), и происходит переключение на AC (в режиме USB) и происходит восстановление выходного напряжения как на рисунке, где питание переключается на USB. Передача мощности происходит при PSEL=L, что означает, что вход AC будет регулироваться так же, как если бы это был вход USB.

Рисунок 10. Отключение USB, потребление переходит на AC

Рисунок 11 показывает ситуацию, когда батарея отсутствует, потребление мощности переходит на USB. PSEL=H (вход AC является первичным источником питания), канал 1 (CH1) VAC=5.4V, канал 2 (CH2) V_(USB)=5V, канал 3 (CH3) V_OUT, выходной ток I_OUT=0.25A, канал 4 (CH4) V_BAT, ток заряда I_(PGM-CHG)=1A. Обратите внимание, что на V_BAT формируется пилообразное напряжение из-за циклов переключение между завершением зарядки и восстановлением (для новой зарядки).

Рисунок 11. Батарея отключена, потребление переходит на USB

Рисунок 12 показывает ситуацию, когда батарея вставлена для подключения питания. Канал 1 (CH1) VAC=0V, канал 2 (CH2) V_(USB)=0V, канал 3 (CH3) V_OUT, выходной ток I_OUT=0.25A для V_OUT>2V, канал 4 (CH4) V_BAT=3.5V, C_(DPPM)=0pF. Когда нет подключенных источников питания, и устанавливается батарея, выход отслеживает напряжение батареи если на выходе нет нагрузки (нагрузка меньше 10mA), как показано на рисунке. Если нагрузка присутствует, и её величина вызывает снижение напряжение на выходе на 0.2V по сравнению с напряжением батареи, то фиксируется факт короткого замыкание на выходе. В этот момент нагрузка отключается для восстановления. На вывод DPPM может быть подключен конденсатор для реализации задержки в режиме короткого замыкания и получения неограниченного тока.

Рисунок 12. Подключение батареи - подача мощности на выход от BAT

Рисунок 13 показывает ситуацию, когда появляется напряжение на USB, и на систему подается питание от USB. Канал 1 (CH1) V_(USB)=0..5V, канал 2 (CH2) ток потребления по входу USB (0.2A на деление), PSEL=L, CE=H, ISET2=H, V_BAT=3.85V, V_(DPPM)=3.0V (V_(DPPM)*1.15 < V_BAT, иначе технология DPPM увеличивает задержку по времени). Когда подана мощность от порта USB (если на входе AC нет напряжения), выводы CE и ISET2 игнорируются в течение времени начальной загрузки (boot-up time), и доступен максимальный ток на выводах OUT или BAT. После истечения времени boot-up микросхема bqTINY III-series запускает запрограммированное функционирование выводов CE и ISET2.

Рисунок 13. Загрузка (boot-up) и запитывание (power-up) от USB

[Отслеживание температуры батареи]

Микросхемы bqTINY™ III-series постоянно контролируют температуру батареи путем измерения напряжения между выводами TS и VSS. Внутренний источник тока (типичный ток I_(TS) = 100 мкА) предоставляет смещение на обычном термисторе 10 кОм с отрицательным температурным коэффициентом (negative-temperature coefficient thermistors, NTC), см. рис. 14. Микросхема сравнивает напряжение на выводе TS с внутренними пороговыми напряжениями V_(LTF) и V_(HTF) (типичные значения 0.5V и 2.5V соответственно) - чтобы определить, допустима ли зарядка. Как только температура выходит за допустимый диапазон, определенный порогами V_(LTF) и V_(HTF), то зарядка немедленно приостанавливается. Метод приостановки зарядки - выключение силового FET транзистора и фиксация значения счетчиков таймера (другими словами, таймеры не сбрасываются). Зарядка возобновится, когда температура батареи вернется в допустимый диапазон. Для термистора типа 103AT допустимый температурный диапазон 0..45 ^oC. Однако пользователь может расширить температурный диапазон путем добавления двух внешних резисторов, см. рис. 15.

Рис. 14. Подключение термистора к выводу TS	Рис. 15. Изменение допустимых порогов температуры

[Подготовка батареи к заряду (Battery Pre-Conditioning)]

Если во время цикла заряда напряжение батареи становится ниже порога V_(LOWV) (типичное значение 3.0 V), микросхема bqTINY III-series выдает на батарею ток предварительной зарядки I_O(PRECHG). Эта возможность оживляет глубоко разряженные ячейки батареи. Резистор R_SET, подключенный между ISET1 и VSS, определяет ток предзарядки (precharge rate). Параметры V_(PRECHG) и K_(SET) указаны в таблице спецификации. Имейте в виду, что это также влияет на режим зарядки как от AC, так и от USB.

(4)

Микросхема bqTINY III-series активирует таймер безопасности (safety timer) t_(PRECHG) во время фазы подготовки батареи (conditioning phase). Если во время периода таймера порог V_(LOWV) не был достигнут, то микросхема bqTINY III-series выключает систему зарядки и сообщает состояние FAULT уровнями на выводах STAT1 и STAT2. Таймаут таймера увеличивается, если ток зарядки уменьшен системой DPPM. Дополнительные подробности см. в секции "Восстановление ошибки таймера (Timer Fault Recovery)".

[Ток заряда батареи (Battery Charge Current)]

В микросхему bqTINY III-series встроена система регулирования тока зарядки по программируемым установленным точкам. Резистор, подключенный между выводами ISET1 и VSS, R_SET, определяет уровень заряда (charge level). Уровень заряда может быть уменьшен для того, чтобы перераспределить входной ток питания на приоритетное питание системы (см. DPPM). Параметры V_(SET) и K_(SET) указаны в таблице параметров.

(5)

Когда питание приходит от порта USB, то доступный ток заряда (0.1 A/0.5 A) обычно меньше, чем запрограммированный (через ISET1) ток заряда, и поэтому технология DPPM пытается предотвратить падение выходного тока питания системы за счет уменьшения тока заряда.

Уровень заряда bq24032A/38 только для работы от AC (PSEL = H) может быть изменен в 2 раза путем подачи на ISET2 высокого логического уровня H (полная зарядка) или низкого уровня L (половинная зарядка). Напряжение V_(SET) на выводе ISET1 делится на 2 в режиме половинной зарядки. Имейте в виду, что когда PSEL в низком уровне, вывод ISET2 управляет только уровнем тока USB 0.1 A/0.5 A.

Когда на ISET2 низкий логический уровень, напряжение V_(TMR) остается уровне 2.5 V при нормальном режиме работы. В этом случае скорость заряда равна половине от запрограммированного тока, но таймер безопасности (safety timer) остается на значении t_(CHG). Если из этого состояния микросхема bqTINY III-series входит в режим DPPM или режим терморегулирования, таймер безопасности немедленно удваивается и тогда время безопасности подстраивается (универсально пропорционально) току зарядки.

Подробности см. в секции "Распределение мощности питания (Power-Path Management)".

[Регулировка напряжения батареи (Battery Voltage Regulation)]

Обратная связь по напряжению батареи берется от вывода BAT. Этот вход подключен напрямую к положительной клемме аккумуляторной батареи. Микросхема bqTINY III-series отслеживает напряжение аккумуляторной батареи на выводе BAT относительно VSS. Когда напряжение батареи возрастает до порога V_O(BAT-REG) (4.1V, 4.2V, или 4.36V в зависимости от версии микросхемы), начинается фаза регулирования напряжения и ток зарядки начинает уменьшаться.

Если батарея отсутствует, то вывод BAT переключается между состоянием "зарядка завершена" (V_O(REG)) и состоянием "зарядка" (порог обновления батареи, threshold, ~100 mV ниже V_O(REG)). См. рис. 11.

См. рис. 12 для ситуации запитывания при подключении батареи.

В целях безопасного сохранения (safety backup), микросхема bqTINY III-series также отслеживает время заряда в режиме зарядки. Если зарядка не прерывалась за этот период времени t_(CHG), то микросхема bqTINY III-series выключает подсистему зарядки и сигнализирует состояние FAULT логическими уровнями на выходах STAT1 и STAT2. См. работу DPPM для случая 1 для информации по расширению времени таймера безопасности (safety timer), когда активна DPPM. Подробности также см. в секции "Восстановление ошибки таймера (Timer Fault Recovery)".

[Перераспределение мощности (Power Handoff)]

Достоинство дизайна микросхемы bqTINY III-series в том, что она всегда сохраняет питание системы (напряжение на выводе OUT); в первую очередь это делается либо от входа AC, либо от входа USB (приоритет выбирается состоянием входа PSEL), и в последнюю очередь питание подается от батареи (если AC или USB отсутствуют или их мощности недостаточно для поддержания напряжения OUT). Считается, что источник входной мощности (AC или USB) присутствует только в том случае, если состояние их выходных сигналов индикации качества (power-good status) находится в низком логическом уровне. При переходе между источниками входного питания (от AC к USB или от USB к AC) происходит переключение break-before-make. В терминологии переключателей это означает сначала размыкание (break), т. е. отсоединение питания, а потом подключение (make), т. е. подключение питания от другого источника. Это переключение происходит за время t_SW-AC/USB, в течение которого конденсаторы в системе должны поддерживать уровень питания. Имейте в виду, что перераспределение мощности происходит, когда ножка power-good источников (~USBPG, ~ACPG) переходит в высокий лог. уровень (выход с открытым стоком, когда транзистор открыт, то на выходе появляется высокий уровень, что означает отсутствие мощности USB или AC). Это происходит, когда напряжение входного источника (USB или AC) падает до напряжения батареи. Если напряжение батарея ниже допустимого уровня, то может произойти сброс запитываемой системы. Обычно до пропадания входного питания батарея должна иметь некоторый допустимый запас заряда, чтобы предотвратить сброс системы. Если батарея глубоко разряжена или отсутствует, то система все равно потеряет питание, если до завершения работы вывод PSEL не использовался для перераспределения мощности.

Если имеется такая проблема, то есть её простое внешнее решение. Внешнее переключение вывода PSEL (на микросхемах bq24030/31/5/8) немедленно запустит процесс перераспределения питания (не ожидая, что входное напряжение упадет до напряжения батареи). Это может быть реализовано с помощью резисторного делителя между входом AC и землей, где PSEL подключен к точке соединения R1 (верхний резистор, подключенный к AC) и R2 (нижний резистор, подключенный к земле). Значения резисторов делителя R1 и R2 выбирают так, чтобы чтобы на выходе делителя было напряжение 1V (порог PSEL), когда напряжение AC падает до критичного напряжения (уровень критичного напряжения выбирается пользователем). Когда PSEL < 1V, для обеспечения гистерезиса подключается внутренний резистор около 280 кОм. Выберите номинал резистора R2 между 10 кОм и 60 кОм, и V_{(ac-ctitical)} между 3.5 и 4.5 V. Сопротивление R1 можно вычислить по формуле:

R1 = R2(V_{(ac-critical)} - 1V); V_(ac-reset) = 1 + R1 (R2+280k)/(280k*R2);

Пример: если R2=30кОм и V_{(ac-critical)} = 4V, R1=30кОм (4V-1V) = 90кОм, V_(ac-reset) = 1+90кОм (30кОм+280кОм)/(280кОм*30кОм) = 4.32V. Таким образом, для делителя 90кОм/30кОм смещение на PSEL будет переключать питания от AC к USB (~USBPG=L), когда напряжение на AC упадет до 4V (независимо от напряжения батареи V_BAT), и переключится назад, когда напряжение AC восстановится до 4.32V. См. рисунки 6..10.

Регулировка температуры и термозащита

С целью увеличения скорости заряда микросхема bqTINY III-series имеет обратную связь регулировки по предельной температуре корпуса (junction temperature). Если рассеиваемая мощность на микросхеме bqTINY III-series приводит к тому, что температура корпуса становится выше порога регулировки T_J(REG) (типичное значение 125°C), микросхема возвращает ток зарядки к значению, которое поддерживает температуру кристалла на уровне около порога T_J(REG). Чтобы предотвратить ошибочный перерыв заряда, в этом режиме функция детектирования заряда в этом режиме запрещается. Уменьшенный ток заряда увеличивает время зарядки и увеличивает время t_(CHG) таймера безопасности. Это означает, что если обратная связь по температуре уменьшает наполовину установленную скорость заряда, то таймер безопасности удваивает время t_(CHG). Подробности см. раздел "Работа таймера зарядки" (Charge Timer Operation).

Микросхема bqTINY III-series также мониторит предельную температуру T_J (junction temperature), и отключает вывод OUT от входов AC или USB, если T_J превысит T_(SHTDWN). Такое поведение продолжается до тех пор, пока T_J не упадет ниже T_(SHTDWN) на уровень гистерезиса, который указан в таблице спецификации.

Режим поддержки от батареи не имеет термозащиты. Транзистор FET Q2 продолжает подключать батарею к выходу (к запитываемой системе), если входное питание имеет недопустимо низкий уровень; однако подсистема защиты от короткого замыкания ограничивает ток разряда батареи так, что максимальное рассеивание мощности на микросхеме не превышает обычных условий проектирования.

[Работа таймера зарядки (Charge Timer Operation)]

В целях безопасности микросхема bqTINY III-series отслеживает время в режиме заряда. Если условия прекращения заряда не были обнаружены в течение времени t_(CHG), то bqTINY III-series выключает подсистему зарядки и выдает состояние ошибки FAULT на выходах STAT1 и STAT2. Резистор RTMR, подключенный между TMR и VSS, определяет период таймера. Параметр K_(TMR) указан в таблице спецификации. Чтобы запретить таймер зарядки, удалите R_TMR, подключите ножку TMR напрямую к выводу LDO. Имейте в виду, что это действие запрещает таймер безопасности быстрой зарядки fast-charge (это не запрещает или сбрасывает таймер безопасности предварительной зарядки pre-charge), запрещает прекращение заряда, и также очищает ошибку таймера быстрой зарядки. Вывод TMR нельзя оставлять висящим (никуда не подключенным).

(6)

Когда активизируется режим терморегулирования или DPPM, микросхема bqTINY III-series динамически подстраивает период таймера, чтобы предоставить дополнительное время для полного заряда батареи. Это проприетарная особенность, которая разработана для предотвращения раннего или ошибочного останова заряда. Максимальное время заряда в этом режиме t_(CHG-TREG) можно вычислить по формуле 7.

(7)

Имейте в виду, что эта подстройка времени динамическая, и меняется при изменении окружающей температуры и уровня заряда путем подстройки тактовой частоты таймера. Очень сложно вычислить общее время безопасности без учета в формуле 7 изменений всего цикла заряда. Поэтому нужно понимать теорию, что время безопасности динамически подстраивается обратно пропорционально току заряда и текущему заряду батареи.

Параметр V_(SET) указан в таблице спецификации. V_(SET-TREG) это напряжение на выводе ISET во время режима терморегулирования или режима DPPM, и является функцией тока заряда (помните, что ток заряда динамически подстраивается в режиме терморегулировки или в режиме DPPM).

(8)

Все антидребезговые интервалы времени также подстраиваются пропорционально t_(CHG-TREG).

[Остановка и возобновление заряда (Charge Termination and Recharge)]

Микросхема bqTINY III-series отслеживает напряжение на выводе ISET1 во время регулирования напряжения - чтобы определить, когда нужно остановить зарядку (C/10 – 250 mV, C/25 – 100 mV). Так только произойдет детектирование порога прекращения заряда I_(TERM), микросхема bqTINY III-series останавливает зарядку. Резистор R_SET, подключенный между ISET1 и VSS, задает ток быстрой зарядки fast charge current (уровень C, V_ISET1 = 2.5V) и таким образом уровни прекращения заряда C/10 и C/25. Параметры V_(TERM) и K_(SET) указаны в таблице спецификации. Имейте в виду, что это влияет как на зарядку от AC, так и на зарядку от USB.

(9)

После прекращения заряда микросхема bqTINY III-series перезапускает зарядку как только напряжение на выводе OUT упадет ниже порога V_(RCH) (типичное значение V_O(BAT-REG) – 100mV). Эта особенность все время поддерживает полный уровень заряда батареи.

[Встроенный LDO регулятор напряжения]

В микросхеме bqTINY III-series имеется встроенный LDO-регулятор напряжения на 3.3V (LDO расшифровывается как Low Drop Out, что означает регулятор, допускающий малое падение напряжения на регулирующем элементе). Этот регулятор обычно используется для питания трансивера USB или драйверов для портативных приложений. Имейте в виду, что работа регулятора LDO разрешена только тогда, когда присутствует либо AC, либо USB. Если на выводе CE низкий логический уровень, то LDO питается от батареи. Это обеспечивает низкий входной ток, когда микросхема запрещена.

[Режим сна (sleep mode) и режим "выключено" (standby mode)]

Узлы зарядки микросхемы bqTINY III-series войдут в режим низкого энергопотребления (сна), если на обоих входах AC и USB отсутствует допустимый для зарядки уровень напряжения. Эта особенность предотвращает разрядку батареи через микросхему, когда нет подключенных внешних источников питания. В режиме сна транзистор Q2 остается открытым (т. е. батарея подключена к выводу OUT), чтобы батарея могла продолжить предоставлять питание для системы.

Микросхема bqTINY III-series входит в режим низкого потребления "выключено" если присутствуют напряжения AC и/или USB, и на входе CE низкий логический уровень. Этом режиме приостановке (suspend mode) внутренние силовые транзисторы FET Q1 и Q3 (см. рис. 4) закрыты, вход BAT используется для подачи питания на систему через вывод OUT, и регулятор LDO остается включенным (запитанным от выхода). Эта особенность микросхемы разработана для ограничения утечки мощности от входных источников питания (например, для режима приостановки USB, USB suspend mode).

[Выходы индикации состояния заряда]

Выходы с открытым стоком (open-drain, OD) STAT1 и STAT2 показывают различные состояния функционирования зарядного устройства микросхемы, как показано в таблице 2. Эти выводы состояния могут быть использованы для управления светодиодами (катоды LED подключены к STAT1, STAT2, а аноды через резисторы к + источника питания, например к выходу LDO), или для соединения с управляющим микроконтроллером. Имейте в виду, что состояние OFF показывает, что транзистор (от которого выходит открытый сток) закрыт, при этом на выходе получается высокий логический уровень, и подключенный светодиод не горит. Индикация STAT1 и STAT2 работает, когда на входе CE высокий логический уровень.

Таблица 2. Описание состояний выходов индикации зарядки.

[Выходы ~ACPG, ~USBPG (Power Good) микросхем bq24030/31/32A/35]

Два выхода с открытым коллектором ~ACPG, ~USBPG (AC и USB power good соответственно) показывают, что подключен адаптер на вход AC или USB, и его напряжение превышает напряжение аккумуляторной батареи. Соответствующий выход ~ACPG, ~USBPG при этом замыкается на землю, на нем становится низкий логический уровень, когда происходит выход из режима сна (входное напряжение превышает напряжение на батарее). Эти выходы (открытый сток) размыкаются в режиме сна. Выводы ACPG, USBPG можно использовать для управления светодиодами (катоды LED подключены к ~ACPG, ~USBPG, а аноды через резисторы к + источника питания, например к выходу LDO), или для соединения с управляющим микроконтроллером. Имейте в виду, что состояние OFF показывает, что транзистор (от которого выходит открытый сток) закрыт, при этом на выходе получается высокий логический уровень, и подключенный светодиод не горит.

[Выход PG (Power Good), микросхема bq24038]

Выход с открытым стоком PG показывает, что подключен адаптер AC или порт USB, и напряжение от них выше напряжения батареи. Выход PG выключается в режиме сна (открытый сток закрытого транзистора). Вывод PG можно использовать для управления светодиодом или для связи с управляющим микроконтроллером.

[Вход CE (Chip Enable)]

Цифровой вход CE используется для запрета или разрешения работы микросхемы bqTINY III-series. Высокий уровень на этой ножке разрешает чип, а низкий уровень запрещает работу чипа и заставляет его войти в режим "выключено" (standby). Микросхема bqTINY III-series входит в режим standby, когда сигнал CE находится в низком уровне, и присутствует напряжение AC или USB. В таком приостановленном режиме внутренние силовые транзисторы Q1 и Q3 (см. рис. 4) закрыты; вывод для батареи BAT используется для питания обслуживаемой системы через транзистор Q2 выход Q2, который также запитывает LDO. Эта возможность разработана для ограничения утечки мощности от входных источников питания (например, в режиме приостановки USB, USB suspend mode).

[Вход VBSEL (выбор напряжения батареи, Battery Voltage Selection), микросхема bq24038]

Цифровой вход VBSEL (battery voltage select) может быть использован для установки напряжения заряда на значение 4.2V (VBSEL = L) или 4.36V (VBSEL = H). Если VBSEL оставить неподключенным, то внутренний нижний резистор (pulldown) обеспечит низкий логический уровень на VBSEL, что будет соответствовать напряжению заряда 4.2V.

[Использование вывода DPPM для запрета заряда]

Ножка DPPM pin может использоваться для запрета процесса заряда. К выводу DPPM подключен выходной источник тока, так что с помощью резистора устанавливается порог срабатывания DPPM. Если выбранный резистор слишком большой, то напряжение "DPPM-OUT" будет запрограммировано выше, чем напряжение регулировки на выводе OUT, и микросхема перейдет в режим DPPM. В этом режиме ток зарядки будет уменьшен до тех пор, пока вывод OUT не достигнет порога DPPM_OUT. Поскольку напряжение на выводе OUT находится на уровне регулирования (который ниже, чем порог DPPM-OUT), то оно не увеличится, и ток зарядки полностью прекратится. В режиме DPPM система останова заряда (charge termination) запрещена.

Имейте в виду, что вывод OUT регулирует уровень напряжения 4.4V ±0.1V со входа адаптера на микросхемах bq24032A/bq24038, и он подключается напрямую
в микросхемах bq24030/5 (до 6V); и на всех микросхемах вход USB переключается напрямую на вывод OUT.

Если оставить вывод DPPM неподключенным (резистор отключен), то на DPPM напряжение будет высоким, и ток зарядки упадет до нуля. Имейте в виду, что это касается как зарядки от AC, так и зарядки от USB. Другой способ запретить зарядку - внешнее управление выводом DPPM путем подачи на него высокого уровня (до напряжения на выводе OUT).

[Восстановление ошибки таймера (Timer Fault Recovery)]

Как показано на рис. 3, микросхема bqTINY III-series предоставляет метод восстановления из состояний ошибки таймера. Далее описывается этот метод.

Случай ошибки 1: напряжение заряда превысило порог возобновления заряда (recharge, V_(RCH)), и произошел таймаут, означающий ошибку.
Метод восстановления: микросхема bqTINY III-series ждет момента, когда напряжение батареи упадет ниже порога возобновления заряда (recharge). Это может произойти из-за подключения нагрузки к батарее, саморазряда, или при удалении батареи из обслуживаемой системы. Как только уровень напряжения батареи упадет ниже порога recharge, микросхема bqTINY III-series очищает состояние ошибки и начинает новый цикл заряда. Включение питания после сброса (Power On Reset, POR) или переключение CE также очищает состояние ошибки.

Случай ошибки 2: напряжение заряда упало ниже порога возобновления заряда (recharge V_(RCH)), и произошел таймаут, означающий ошибку.
Метод восстановления: в этом случае микросхема bqTINY III-series выдает в батарею ток ошибки I_(FAULT). Этот маленький ток используется для детектирования момента извлечения батареи, и остается до тех пор, пока напряжение батареи все еще ниже порога возобновления заряда. Если напряжение батареи превысит порог возобновления заряда, то микросхема bqTINY III-series запрещает генерацию тока I_(FAULT) и запускает метод восстановления, описанный в "случае ошибки 1". Как только напряжение батареи упадет ниже порога возобновления заряда recharge, микросхема bqTINY III-series очищает состояние ошибки и начинает новый цикл заряда. Включение питания после сброса (Power On Reset, POR) или переключение CE также очищает состояние ошибки.

[Восстановление из состояния короткого замыкания (Short-Circuit Recovery)]

Выход имеет два типа защиты от короткого замыкания, один из которых связан со входом (откуда подается внешнее питание), а другой с батареей.

Если входное напряжение падает до уровня ниже примерно 1V, то регистрируется состояние короткого замыкания, и входные транзисторы FET (AC и USB) закрываются. Для восстановления из этого состояния подключаются резисторы 500 Ом с каждого входа на выход. Восстановление произойдет, если нагрузка на выходе будет уменьшена {Rload > 1V * 500 Ом / (V_in–V_out)}, так что этот верхний (pullup) резистор сможет поднять уровень напряжения на выходе выше 1V. После этого входные транзисторы FET вернутся в открытое состояние.

Если выходное напряжение упадет до уровня на 200 mV ниже напряжения батареи, то на транзисторе FET батареи регистрируется короткое замыкание, и транзистор FET батареи закрывается. Для восстановления из этого состояния имеется источник тока 10 mA ±8 mA от батареи до выхода. Как только нагрузка на выходе уменьшится так, что источник тока может поднять уровень на выходе больше, чем напряжение на 200 mV ниже напряжения на батарее, то транзистор FET батареи вернется обратно во включенное состояние (как только Vout увеличит напряжение, падающее от источника тока 2 mA).

Если короткое замыкание устранено, и минимальная нагрузка от системы все еще остается большой [R < (V_BAT - 200 mv / 2 ma)], то защита от короткого замыкания может быть временно отключена. Защита от короткого замыкания батареи может быть запрещена (это рекомендуется делать только на короткое время), если напряжение на выводе DPPM меньше 1V. Подача короткого импульса низкого уровня (ниже 1V) длительностью несколько микросекунд должна восстановить работу схемы.

Эта возможность запрета защиты от короткого замыкания была реализована с целью подачи питания при подключении батареи. Потому что входное напряжение BAT возрастает несколько быстрее, чем напряжение на OUT (V_out < V_bat - 200 mV) из-за наличия емкостной нагрузки на выходе, то микросхема может попасть в режим защиты от короткого замыкания. Если подключить конденсатор между выводом DPPM и шиной земли, то время нарастания напряжения V_DPPM увеличится при включении питания, и это введет задержку активации защиты от короткого замыкания. Слишком большая емкость на выводе DPPM (которая дает чрезмерно большую задержку включения защиты) может привести к появлению очень высокого тока на выходе, если он был замкнут на землю. Рекомендуемая емкость лежит в диапазоне от 1 до 10 нанофарад. Время нарастания V_DPPM является функцией от 100 мкА источника тока DPPM, резистора DPPM, и емкости добавленного конденсатора.

[Указания по применению]

Выбор емкости входных и выходных конденсаторов

Для большинства приложений всегда нужно поставить высокочастотный развязывающий конденсатор на каждом входе (AC и USB). Хорошо подходит керамический конденсатор 0.1 мкФ, размещенный вблизи выводов AC, USB, и подключенный на вывод VSS. В некоторых приложениях (в зависимости от характеристики источников питания и длины кабеля), может понадобиться добавить дополнительный керамический конденсатор на 10 мкФ на каждый вход.

Для достижения стабильной работы обратной связи регулирования микросхема bqTINY III-series требует на выходе только конденсатор малой емкости. Обычно достаточно керамического конденсатора 0.1 мкФ, размещенного между выводами OUT и VSS.

Встроенный регулятор LDO требует на своем выходе керамического конденсатора максимум на 1 мкФ. Выход LDO не требует конденсатора для стабильной работы, однако рекомендуется установить конденсатор минимум на 0.1 мкФ.

Рекомендуется установить между выводами BAT и VSS конденсатор емкостью минимум 33 мкФ (параллельно батарее). Это обеспечит правильное горячее подключение питания при отсутствии нагрузки (от запитываемой системы нет нагрузки, или подключена батарея).

Температурные условия

Микросхема bqTINY III-series размещена в корпусе MLP с улучшенными тепловыми характеристиками. Корпус содержит теплоотводящую площадку QFN для эффективного термического контакта с печатной платой (PCB). Полные указания по разработке PCB для этого корпуса предоставлены в апноуте, названном "QFN/SON PCB Attachment" (SLUA271). Вывод питания должен быть замкнут на земляной экран VSS. Для большинства случаев термосопротивление корпуса (?_JA) измеряется (или моделируется) по воздушному окружению поверхности корпуса чипа.

Математическое выражение для ?_JA:

, где:

(10)

T_J = температура чипа
T_A = температура окружения
P = рассеиваемая на чипе мощность

Факторы, которые могут значительно влиять на измерение и вычисление ?_JA, включают:
• смонтирована или нет микросхема на печатной плате
• размер, расположение, толщина и геометрия токопроводящих дорожек
• ориентация расположения микросхемы (горизонтальное или вертикальное)
• объем окружающего воздуха вокруг микросхемы при тестировании, и наличие потока воздуха
• наличие рядом других поверхностей при тестировании

Рассеивание мощности на микросхеме P является функцией от тока заряда и падения напряжения на внутреннем силовом транзисторе FET. P можно вычислить по формуле 11:

(11)

Для профиля заряда батарей Li-xx максимальная рассеиваемая мощность обычно бывает при начале цикла заряда, когда напряжение на батарее самое маленькое, см. рис. 1. Обычно напряжение на батарее Li-ion быстро (< 2 минуты) возрастает примерно до 3.5V, когда происходит вход в режим быстрой зарядки fast charge (fast charge, 1-C charge, и батарея имеет напряжение выше V_(LOWV)). Поэтому общепринятая методика - выполнить установившийся тепловой расчет, используя 3.5V в качестве минимального напряжения батареи, потому что плата системы заряжающая микросхема не успеют достичь максимальной температуры из-за теплоемкости сборки на ранних стадиях быстрого заряда. Эту теорию просто проверить путем выполнения цикла заряда на разряженной батарее, отслеживая напряжение на батарее и температуру теплоотводящего вывода микросхемы.

[Информация по упаковке]

Примечания:

(1) Рыночные значения статуса определены следующим образом:
ACTIVE (активно): изделие (микросхема) рекомендуется для использования в новых разработках.
LIFEBUY: TI предупреждает о завершении выпуска изделия, и наступлении периода продаж поддержки (lifetime-buy).
NRND: не рекомендуется для новых разработок. Изделие выпускается для предоставления существующим потребителям, но TI не рекомендует её использование в новых разработках.
PREVIEW: изделие анонсировано, но еще не производится. Тестовые изделия (семплы) как могут быть, так и не могут быть доступны.
OBSOLETE: TI has discontinued the production of the device.
(2) Eco Plan - запланированная экологическая классификация: Pb-Free (RoHS), Pb-Free (RoHS Exempt) или Green (RoHS & нет Sb/Br) - пожалуйста обратитесь по ссылке http://www.ti.com/productcontent для последней информации о доступности изделия и справочной информации.
TBD: план преобразования Pb-Free/Green не определен.
Pb-Free (RoHS): термины TI "Lead-Free" или "Pb-Free" (технология пайки без свинца) означает, что изделие совместимо с текущими требованиями RoHS для всех 6 субстанций, включая требование не превышать содержание свинца 0.1% по весу в гомогенных материалах. Продукция TI Pb-Free, разработанная для пайки при высоких температурах, подходит для использования в указанных бессвинцовых техпроцессах.
Pb-Free (RoHS Exempt): этот компонент имеет любое RoHS освобождение, либо 1) содержащие свинец наплывы между основанием и корпусом, либо 2) содержащее свинец покрытие, используемое между основой и выводом. Иначе компонент считается Pb-Free (совместимый с RoHS), как определено выше.
Green (RoHS & no Sb/Br): TI определяет "Green" как Pb-Free (RoHS compatible), и также без содержания брома (Bromine, Br) и сурьмы (Antimony, Sb), базируясь на газовом анализе пламени (Br или Sb не превышают 0.1% по весу гомогенных материалов).

Температурный профиль пайки и типы заводской упаковки см. в даташите Texas Instruments.

[Часто задаваемые вопросы (FAQ), решение проблем]

Q01. Питание приходит, все цепи в порядке, но bq24032A отказывается заряжать батарею.
A01. Проверьте, подключили ли Вы термодатчик к ножке TS, и правильно ли выбран тип термодатчика. Если термодатчик неисправен, то на выходах STAT1 и STAT2 будет отображено логическое состояние ошибки (см. таблицу 2). Как временное решение, если термодатчика пока нет, его можно заменить постоянным резистором.

Q02. В даташите написано, что обслуживаемая система (подключенная к выходу OUT) может быть запитана даже при отсутствии аккумулятора, если на вход AC и/или вход USB подано питание. Почему же тогда при отключенной аккумуляторной батарее на выходе OUT отсутствует напряжение (или оно сразу пропадает при подключении нагрузки)?
A02. Возможно, что Вы неправильно управляете входом CE (на нем лог. 0), и поэтому микросхема находится в режиме сна, stand-by (выключена). Частая ошибка - подача на CE единички от выхода LDO. При таком включении без подключенной батареи (или если она глубоко разряжена) микросхема не включится, и не выдаст питание на OUT. Чтобы микросхема всегда включалась при подаче напряжения на вход AC или USB, необходимо предусмотреть смещающие резисторы, чтобы на CE приходил высокий уровень со входов AC и USB. Подробнее см. логику работы входа CE.

Q03. Как обеспечить распознавание - что подключено на вход USB - компьютер или зарядное устройство?
A03. Отличать компьютер от зарядного устройства может оказаться полезным, если входы AC и USB соединены параллельно, и подключены к разъему USB, в который может быть подключено как зарядное устройство (которое обычно может дать ток 1А, и есть зарядные устройства на ток до 2А), так и компьютер. В этом случае нужно корректно управлять микросхемой, чтобы обеспечить правильный ток зарядки, и не перегрузить порт USB хоста (который, как известно, в отличие от зарядного устройства может дать ток только до 0.5А). Отличить - что подключено (мощное зарядное устройство или USB хост) - может только микроконтроллер. Если ему удалось наладить взаимодействие с хостом, значит подключен компьютер, нужно на PSEL подать 0 и экономить питание, а иначе подключено зарядное устройство, на PSEL можно подать 1 и включить полный ток заряда.

Q04. Почему при запуске питаемого устройства, когда оно начинает потреблять ток с выхода OUT (ножки 15, 16, 17) микросхемы bq24032A, на выходе микросхемы OUT сразу пропадает напряжение, несмотря на то, что входное напряжение на AC присутствует, и заряженный аккумулятор подключен?
A04. Проверьте логические уровни на ножках ISET2 и PSEL. На ISET2 всегда должна быть лог. 1 (ограничение потребления от USB 500 мА), и на PSEL тоже должен быть 1. Если это не так, и ток потребления питаемого устройства превышает 0.5A, то Ваше устройство не включится. Если ток потребления между 0.1A и 0.5A, то устройство включится только если PSEL=1 (ISET2 при этом не играет роли), или если PSEL=0 и ISET2=1. Если же PSEL=0, и ISET2=0, то будет активно ограничение тока 0.1, и устройство не включится.

[Ссылки]

1. Даташиты на bq240XX, описание технологии DPPM.
2. Микросхема bq24618 - контроллер зарядного устройства.
3. SY6912A: эффективный контроллер заряда аккумуляторов.