【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(jí)電容作為儲(chǔ)能元件， 鋰電池和超級(jí)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(jí)電容充電的方案，無需在原理圖或者Layout做任何修改，簡(jiǎn)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(jí)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(jí)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(jí)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(jí)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(gòu)買一套充電底座即可給鋰電池掃碼槍或者超級(jí)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(jí)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(jí)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(jí)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?jí)電容時(shí)，由于超級(jí)電容和鋰電池的物理特性不同，從充放電的角度來說，超級(jí)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?duì)充電電流有不同限制。所以如果只用BQ25798來給超級(jí)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(jí)電容充電。
2）當(dāng)放電深度較深時(shí)，充電時(shí)間很長(zhǎng)。
針對(duì)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(jí)電容進(jìn)行充電。充電過程如下（以5V超級(jí)電容為例）：
1）超級(jí)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(jí)電容。
2）超級(jí)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(jí)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(jí)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(jí)電容充電方式。
Figure 5. 超級(jí)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(jí)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(jí)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(cè)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(jí)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(jí)電容在位，通過將這里的溫度信息和整機(jī)測(cè)量的溫度信息做對(duì)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(hào)來判斷是鋰電池還是超級(jí)電容。
另外，判斷出儲(chǔ)能元件之后，仍需要對(duì)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(jí)信號(hào)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(jí)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(jí)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(hào)來關(guān)斷TPS25221。
Figure7. TPS25221控制方法
3. 測(cè)試波形
使用BQ2598EVM和TPS25221EVM搭建硬件測(cè)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(duì)BQ25798+TPS25221給超級(jí)電容充電來進(jìn)行分析。硬件測(cè)試平臺(tái)如下圖所示。
Figure 8. BQ25798+TPS25221硬件測(cè)試平臺(tái)
3.1 超級(jí)電容充電
測(cè)試條件Vbus=5V，負(fù)載為兩節(jié)超級(jí)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(cè)試波形如下圖所示：
Figure 9. BQ25798+TPS25221測(cè)試波形
CH1黃色表示Vsys電壓，CH2Vbat表示超級(jí)電容的電壓，CH4綠色表示的是最終流入超級(jí)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(jí)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(jí)電容充電。
2） Stage 2: 開啟BQ25798和TPS25221, Ichg檢測(cè)到充電電流大約為400mA左右，和理論值相符。（300mA+100mA）。此時(shí)超級(jí)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(jí)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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