1. BQ25601簡介

 

BQ25601shiyikuangaoxiaolvdedandianchijiangyashichongdianguanlixinpian，qijuyoulujingguanligongneng，keyishixianshuruhexitongduanyijidianchicedechongfangdianguanli。gaixinpiankeyizhichidao3A的充電電流
，最小可以支持到60mA，被(bei)廣(guang)泛(fan)應(ying)用(yong)在(zai)手(shou)機(ji)
，可(ke)穿(chuan)戴(dai)等(deng)產(chan)品(pin)中(zhong)。手(shou)冊(ce)中(zhong)給(gei)出(chu)了(le)典(dian)型(xing)的(de)應(ying)用(yong)電(dian)路(lu)以(yi)及(ji)相(xiang)應(ying)的(de)設(she)計(ji)案(an)例(li)，這(zhe)裏(li)就(jiu)不(bu)再(zai)贅(zhui)述(shu)了(le)。因(yin)為(wei)該(gai)芯(xin)片(pian)應(ying)用(yong)非(fei)常(chang)廣(guang)泛(fan)
，所(suo)以(yi)本(ben)文(wen)主(zhu)要(yao)針(zhen)對(dui)實(shi)際(ji)應(ying)用(yong)過(guo)程(cheng)中(zhong)碰(peng)到(dao)的(de)問(wen)題(ti)進(jin)行(xing)分(fen)析(xi)總(zong)結(jie)。

 

2. BQ25601錯誤中斷上報機製說明

 

在實際係統應用中，我們經常需用通過讀取芯片的狀態寄存器或是在硬件上檢查INT管guan腳jiao的de狀zhuang態tai來lai判pan斷duan芯xin片pian工gong作zuo中zhong是shi否fou有you碰peng到dao異yi常chang，那na麼me對dui於yu芯xin片pian的de錯cuo誤wu上shang報bao機ji製zhi以yi及ji中zhong斷duan發fa出chu機ji製zhi的de理li解jie就jiu很hen重zhong要yao
，有you助zhu於yu實shi際ji的de調tiao試shi。根gen據ju手shou冊ce中zhong描miao述shu如ru下xia，當dang出chu現xian故gu障zhang時shi，BQ25601會發出INT信號給到host, 並將對應的狀態寄存器REG09中的對應bit置位。INT信號會被拉低256us, 然後再恢複。

 

Fig 1 手冊中關於發生fault時INT和狀態寄存器的描述 (1)

 

而實際使用過程中
，有時候會碰到同時出現多個錯誤，

 

a. 第一個錯誤出現時，INT信號被拉低，如果在拉低的過程中
，又出現了第二個錯誤
，此時INT信號不會繼續延展，隻會看到一個256us的INT拉低的指示。

 

b. 第一個錯誤出現時
，INT信號被拉低。在256us內第一個故障消失
，而第二個故障出現。此時INT信號依然不會延展，還是隻會看到一個256us INT拉低的指示。

 

所以實際使用過程中，如果隻看到一個INT信號拉低的指示，並不代表實際隻有一個fault出現
，還是需要通過狀態寄存器去讀取實際出現的問題，INT信號隻會在所有故障或是DPM狀態被清除後

，才會再次起作用。 而(er)對(dui)於(yu)狀(zhuang)態(tai)寄(ji)存(cun)器(qi)的(de)讀(du)取(qu)來(lai)說(shuo)，手(shou)冊(ce)中(zhong)有(you)相(xiang)關(guan)描(miao)述(shu)
，需(xu)要(yao)注(zhu)意(yi)的(de)是(shi)
，該(gai)寄(ji)存(cun)器(qi)是(shi)讀(du)清(qing)，所(suo)以(yi)如(ru)果(guo)需(xu)要(yao)判(pan)斷(duan)當(dang)前(qian)芯(xin)片(pian)是(shi)否(fou)有(you)故(gu)障(zhang)存(cun)在(zai)，需(xu)要(yao)讀(du)兩(liang)次(ci)REG09，第一次是用來清之前的fault, 第二次才能判斷當前是否有fault存在。

 

3. BQ25601弱充問題

 

在(zai)可(ke)穿(chuan)戴(dai)等(deng)應(ying)用(yong)場(chang)景(jing)中(zhong)，諸(zhu)如(ru)智(zhi)能(neng)手(shou)表(biao)等(deng)

，充(chong)電(dian)是(shi)通(tong)過(guo)觸(chu)點(dian)等(deng)方(fang)式(shi)將(jiang)充(chong)電(dian)座(zuo)和(he)充(chong)電(dian)接(jie)口(kou)相(xiang)連(lian)。在(zai)實(shi)際(ji)中(zhong)接(jie)口(kou)處(chu)經(jing)常(chang)會(hui)存(cun)在(zai)接(jie)觸(chu)不(bu)良(liang)或(huo)者(zhe)有(you)汙(wu)漬(zi)的(de)場(chang)景(jing)，這(zhe)樣(yang)就(jiu)會(hui)導(dao)致(zhi)充(chong)電(dian)器(qi)端(duan)的(de)實(shi)際(ji)輸(shu)出(chu)能(neng)力(li)下(xia)降(jiang)。於(yu)是(shi)客(ke)戶(hu)在(zai)產(chan)品(pin)中(zhong)加(jia)入(ru)了(le)該(gai)場(chang)景(jing)的(de)模(mo)擬(ni)測(ce)試(shi)：將輸入電源的輸出限流點設定在一個較小的值，要求在該場景下電池還是能夠繼續充電，否則就會影響客戶的使用體驗。

 

這邊將輸入電源Vbus設置為5V/100mA ( 100mA為輸出限流點，相比於實際場景應該已經足夠小) 。受電設備設置預充電流為0.18A, 快充電流為0.78A。Fig2 是用TI的GUI軟件讀取的此時的充電芯片的配置。同時，充電芯片的係統側會消耗70mA左右的電流。

 

Fig2   BQ25601在某可穿戴項目中配置

 (VINDPM=4.4V, Ipre-charge=60mA, Icharge=780mA, Isys=~70mA)

 

在實際測試中發現，當電池電壓較低時，會出現停充，即電池電壓始終無法持續充高。從波形上看

，Vbus有you較jiao大da跌die落luo，導dao致zhi芯xin片pian不bu工gong作zuo
，而er係xi統tong端duan此ci時shi因yin為wei需xu要yao供gong電dian還hai不bu斷duan在zai消xiao耗hao電dian流liu
，所suo以yi電dian池chi電dian壓ya始shi終zhong卡ka在zai某mou一yi點dian，而er無wu法fa充chong電dian到dao更geng高gao電dian壓ya
，這zhe是shi不bu可ke接jie受shou的de。正zheng常chang來lai說shuo，由you於yuVINDPM的存在，即使後端負載過大
，Vbus電流能力不足，那麼Vbus電壓應該也會被鉗位在VINDPM而不會跌落到工作門限以下，導致充電芯片出現不工作的場景。

 

Fig3  電池停充的相關波形 （ Ch1=SW, Ch2=Ibat, Ch3=Vbus, Ch4=Vbat）

 

為了複現該問題，在EVM上進行模擬實驗，搭建實驗環境如下
，輸入電源power supply #1還是設置為5V/100mA。實際電池采用模擬電池電源來替代

，以便於監控電流。在係統端（sys）采用電子負載
，設置恒流CC模式來模擬實際係統的電流消耗。將模擬電池的電壓從2.5V不斷往上調高，來模擬充電過程中不同的電池電壓情況，觀察在這個過程中，是否會存在停充的現象。

 

Fig4　模擬故障的實驗環境搭建 (2)

 

從測試可以看到當Vbat電壓在3V左右會出現如Fig2 中類似的情況，而在其他電壓的情況下，Vbus即使因為電流能力不足導致被拉下來
，但還是能夠被鉗位在VINDPM的電壓值
，而不會更低。從Fig5中可以看到當電池電壓在2.9V和3.2V時
，輸入Vbus會被鉗位到VINDPM的值
，即設定的4.4V，不會出現跌落的場景。

 

 

 

 

從手冊中可以看到，3V左右是芯片從pre-charge到fast-charge的切換點，對Vbat=3.0V時波形展開
，如Fig6,

 

Fig6 Vbat=3V時Vbus跌落的展開圖（Ch1=Vbus, Ch2=Vsys, Ch3=Vbat, Ch4=SW）

 

可以看到，充電電流從在70us內變化了有400多mA, 在b點VINDPM的環路開始響應，開始減少充電電流，但從c點可以看到，VINDPM的環路沒辦法將充電電流控住
，從而Vbus發生跌落，跌落至工作門限以下。此時芯片停止工作，Vbus由於負載變輕，又恢複到正常電壓。但恢複到正常電壓後
，又重新進入上電流程

，芯片要重新進行poor source檢測，需要~30ms左右的時間，這個過程中係統端隻能由電池來供電。從上麵分析可以看到，其本質原因是在於VINDPM的響應時間比芯片從預充到快充的充電電流變化時間要慢，所以VINDPM在這種大負載切換時來不及起作用，導致Vbus電壓被拉下來，從而導致無法充電。而實際采用真實電池時
，在中間進入supple mode的(de)階(jie)段(duan)，電(dian)池(chi)因(yin)為(wei)在(zai)消(xiao)耗(hao)能(neng)量(liang)所(suo)以(yi)電(dian)壓(ya)會(hui)被(bei)拉(la)下(xia)來(lai)
，等(deng)到(dao)再(zai)次(ci)恢(hui)複(fu)充(chong)電(dian)的(de)時(shi)候(hou)，電(dian)池(chi)電(dian)壓(ya)比(bi)較(jiao)低(di)，所(suo)以(yi)還(hai)是(shi)在(zai)進(jin)行(xing)預(yu)充(chong)電(dian)階(jie)段(duan)，當(dang)切(qie)入(ru)快(kuai)充(chong)階(jie)段(duan)時(shi)

，又(you)會(hui)進(jin)入(ru)到(dao)停(ting)充(chong)的(de)狀(zhuang)態(tai)
，所(suo)以(yi)導(dao)致(zhi)電(dian)池(chi)電(dian)壓(ya)一(yi)直(zhi)無(wu)法(fa)充(chong)到(dao)3V以上，進入正常的快充狀態。

 

那針對這個問題
，因為VINDPM的de響xiang應ying時shi間jian是shi跟gen它ta環huan路lu本ben身shen的de響xiang應ying有you關guan，這zhe個ge是shi沒mei辦ban法fa修xiu改gai的de
，那na麼me我wo們men可ke以yi從cong係xi統tong層ceng麵mian去qu解jie決jue這zhe個ge問wen題ti。可ke以yi將jiang充chong電dian電dian流liu的de抬tai升sheng從cong直zhi接jie抬tai升sheng
，改gai為wei階jie梯ti式shi的de抬tai升sheng

，讓rang每mei次ci的de電dian流liu跳tiao變bian幅fu度du沒mei有you那na麼me大da，這zhe樣yang可ke以yi使shi得de輸shu入ru電dian壓ya在zai這zhe樣yang小xiao的de跳tiao變bian下xia不bu會hui被bei拉la低di到dao工gong作zuo電dian壓ya點dian以yi下xia。同tong時shi應ying該gai本ben身shen是shi穿chuan戴dai類lei的de應ying用yong
，其qi電dian池chi容rong量liang也ye比bi較jiao小xiao

，所suo以yi這zhe種zhong台tai階jie式shi的de充chong電dian電dian流liu抬tai升sheng對dui整zheng體ti的de充chong電dian時shi間jian影ying響xiang也ye基ji本ben可ke以yi忽hu略lve。

 

Fig7a 原先的充電策略

 

Fig7b 新的充電策略

 

結合電容的電壓電流特性Cdu/dt=I，可以得到公式(1)如下

 

   公式（1）

 

 

其中，Cin是輸入電容, 最極限的情況就是所有能量都由Cin提供
，輸入電源本身還來不及響應;

 

Vbus是輸入電源電壓，Vbusfalling是芯片工作電壓點，在手冊中可以看到為3.9V( typical),  這邊要確保輸入電壓不會跌落到欠壓門限以下，所以從正常工作的Vbus到欠壓點之間的壓差就是(Vbus-Vbusfalling)
，也即之前電容特性公式中的du;

 

TVINDPM是VINDPM的對應的響應時間
，從前麵的測試波形可以得到。在這段時間內
，VINDPM來不及響應，那麼電容上的電壓就可能會跌落到VINDPM設定門限以下；

 

（Ich1-Ich2）為充電電流跳變步進
，Vbat為此時電池電壓，ꜧ為充電效率，可以通過手冊效率曲線得到。假設係統端電流是穩定的
，通過“充電電流*電池電壓/充電效率” 就可以得到充電芯片輸入端電流變化，也就是此時輸入電容上被抽走的電流，它會導致電壓跌落。

 

用這個公式可以大致算出，要使得Vbus電壓不要跌落到欠壓點以下時，充電電流最大的變化值，也就是台階式去抬升電流的最大的台階。

 

這邊取Cin=10uf, Vbus=5V, Vbat=3V, tindpm= ~100us, 效率就按~80%，得到充電電流的每一個台階是~0.15A。在TVINDPM時間後按照這個台階去抬升充電電流，即可以保證輸入電壓始終處於工作狀態內。

 

結論

 

本文針對BQ25601的錯誤上報機製進行了說明
，在多個錯誤同時發生的情況下依然隻會有一個INT信號，需要去進行二次讀取狀態寄存器來判斷當前狀態。同時
，本文對實際在可穿戴應用中碰到的弱充問題進行了分析
，原因在於輸入DPM的調節速度要慢於充電電流的調節速度
，導致輸入電壓被拉低。給出了階梯式充電的解決方案，通過係統端來避免出現停充的問題。

 

參考文獻

 

 

[1] BQ25601 Datasheet, SLUSCK5, Texas Instruments.

 

[2] BQ25601 EVM guide, SLUUBL4, Texas Instruments.

 

 

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