【導(dǎo)讀】BQ25601是一款常用的充電芯片。本文針對(duì)其錯(cuò)誤上報(bào)的機(jī)制進(jìn)行了說(shuō)明。同時(shí)，本文針對(duì)該芯片實(shí)際應(yīng)用在可穿戴產(chǎn)品中碰到過(guò)的弱充問(wèn)題進(jìn)行了問(wèn)題分析和說(shuō)明，并從系統(tǒng)層面給出了階梯式抬升充電電流的解決方案。
1. BQ25601簡(jiǎn)介
BQ25601是一款高效率的單電池降壓式充電管理芯片，其具有路徑管理功能，可以實(shí)現(xiàn)輸入和系統(tǒng)端以及電池側(cè)的充放電管理。該芯片可以支持到3A的充電電流，最小可以支持到60mA，被廣泛應(yīng)用在手機(jī)，可穿戴等產(chǎn)品中。手冊(cè)中給出了典型的應(yīng)用電路以及相應(yīng)的設(shè)計(jì)案例，這里就不再贅述了。因?yàn)樵撔酒瑧?yīng)用非常廣泛，所以本文主要針對(duì)實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中碰到的問(wèn)題進(jìn)行分析總結(jié)。
2. BQ25601錯(cuò)誤中斷上報(bào)機(jī)制說(shuō)明
在實(shí)際系統(tǒng)應(yīng)用中，我們經(jīng)常需用通過(guò)讀取芯片的狀態(tài)寄存器或是在硬件上檢查INT管腳的狀態(tài)來(lái)判斷芯片工作中是否有碰到異常，那么對(duì)于芯片的錯(cuò)誤上報(bào)機(jī)制以及中斷發(fā)出機(jī)制的理解就很重要，有助于實(shí)際的調(diào)試。根據(jù)手冊(cè)中描述如下，當(dāng)出現(xiàn)故障時(shí)，BQ25601會(huì)發(fā)出INT信號(hào)給到host, 并將對(duì)應(yīng)的狀態(tài)寄存器REG09中的對(duì)應(yīng)bit置位。INT信號(hào)會(huì)被拉低256us, 然后再恢復(fù)。
Fig 1 手冊(cè)中關(guān)于發(fā)生fault時(shí)INT和狀態(tài)寄存器的描述 (1)
而實(shí)際使用過(guò)程中，有時(shí)候會(huì)碰到同時(shí)出現(xiàn)多個(gè)錯(cuò)誤，
a. 第一個(gè)錯(cuò)誤出現(xiàn)時(shí)，INT信號(hào)被拉低，如果在拉低的過(guò)程中，又出現(xiàn)了第二個(gè)錯(cuò)誤，此時(shí)INT信號(hào)不會(huì)繼續(xù)延展，只會(huì)看到一個(gè)256us的INT拉低的指示。
b. 第一個(gè)錯(cuò)誤出現(xiàn)時(shí)，INT信號(hào)被拉低。在256us內(nèi)第一個(gè)故障消失，而第二個(gè)故障出現(xiàn)。此時(shí)INT信號(hào)依然不會(huì)延展，還是只會(huì)看到一個(gè)256us INT拉低的指示。
所以實(shí)際使用過(guò)程中，如果只看到一個(gè)INT信號(hào)拉低的指示，并不代表實(shí)際只有一個(gè)fault出現(xiàn)，還是需要通過(guò)狀態(tài)寄存器去讀取實(shí)際出現(xiàn)的問(wèn)題，INT信號(hào)只會(huì)在所有故障或是DPM狀態(tài)被清除后，才會(huì)再次起作用。 而對(duì)于狀態(tài)寄存器的讀取來(lái)說(shuō)，手冊(cè)中有相關(guān)描述，需要注意的是，該寄存器是讀清，所以如果需要判斷當(dāng)前芯片是否有故障存在，需要讀兩次REG09，第一次是用來(lái)清之前的fault, 第二次才能判斷當(dāng)前是否有fault存在。
3. BQ25601弱充問(wèn)題
在可穿戴等應(yīng)用場(chǎng)景中，諸如智能手表等，充電是通過(guò)觸點(diǎn)等方式將充電座和充電接口相連。在實(shí)際中接口處經(jīng)常會(huì)存在接觸不良或者有污漬的場(chǎng)景，這樣就會(huì)導(dǎo)致充電器端的實(shí)際輸出能力下降。于是客戶在產(chǎn)品中加入了該場(chǎng)景的模擬測(cè)試：將輸入電源的輸出限流點(diǎn)設(shè)定在一個(gè)較小的值，要求在該場(chǎng)景下電池還是能夠繼續(xù)充電，否則就會(huì)影響客戶的使用體驗(yàn)。
這邊將輸入電源Vbus設(shè)置為5V/100mA ( 100mA為輸出限流點(diǎn)，相比于實(shí)際場(chǎng)景應(yīng)該已經(jīng)足夠小) 。受電設(shè)備設(shè)置預(yù)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(shí)的充電芯片的配置。同時(shí)，充電芯片的系統(tǒng)側(cè)會(huì)消耗70mA左右的電流。
Fig2 BQ25601在某可穿戴項(xiàng)目中配置
(VINDPM=4.4V, Ipre-charge=60mA, Icharge=780mA, Isys=~70mA)
在實(shí)際測(cè)試中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)電池電壓較低時(shí)，會(huì)出現(xiàn)停充，即電池電壓始終無(wú)法持續(xù)充高。從波形上看，Vbus有較大跌落，導(dǎo)致芯片不工作，而系統(tǒng)端此時(shí)因?yàn)樾枰╇娺€不斷在消耗電流，所以電池電壓始終卡在某一點(diǎn)，而無(wú)法充電到更高電壓，這是不可接受的。正常來(lái)說(shuō)，由于VINDPM的存在，即使后端負(fù)載過(guò)大，Vbus電流能力不足，那么Vbus電壓應(yīng)該也會(huì)被鉗位在VINDPM而不會(huì)跌落到工作門(mén)限以下，導(dǎo)致充電芯片出現(xiàn)不工作的場(chǎng)景。
Fig3 電池停充的相關(guān)波形 （ Ch1=SW, Ch2=Ibat, Ch3=Vbus, Ch4=Vbat）
為了復(fù)現(xiàn)該問(wèn)題，在EVM上進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)，搭建實(shí)驗(yàn)環(huán)境如下，輸入電源power supply #1還是設(shè)置為5V/100mA。實(shí)際電池采用模擬電池電源來(lái)替代，以便于監(jiān)控電流。在系統(tǒng)端（sys）采用電子負(fù)載，設(shè)置恒流CC模式來(lái)模擬實(shí)際系統(tǒng)的電流消耗。將模擬電池的電壓從2.5V不斷往上調(diào)高，來(lái)模擬充電過(guò)程中不同的電池電壓情況，觀察在這個(gè)過(guò)程中，是否會(huì)存在停充的現(xiàn)象。
Fig4 模擬故障的實(shí)驗(yàn)環(huán)境搭建 (2)
從測(cè)試可以看到當(dāng)Vbat電壓在3V左右會(huì)出現(xiàn)如Fig2 中類似的情況，而在其他電壓的情況下，Vbus即使因?yàn)殡娏髂芰Σ蛔銓?dǎo)致被拉下來(lái)，但還是能夠被鉗位在VINDPM的電壓值，而不會(huì)更低。從Fig5中可以看到當(dāng)電池電壓在2.9V和3.2V時(shí)，輸入Vbus會(huì)被鉗位到VINDPM的值，即設(shè)定的4.4V，不會(huì)出現(xiàn)跌落的場(chǎng)景。
從手冊(cè)中可以看到，3V左右是芯片從pre-charge到fast-charge的切換點(diǎn)，對(duì)Vbat=3.0V時(shí)波形展開(kāi)，如Fig6,
Fig6 Vbat=3V時(shí)Vbus跌落的展開(kāi)圖（Ch1=Vbus, Ch2=Vsys, Ch3=Vbat, Ch4=SW）
可以看到，充電電流從在70us內(nèi)變化了有400多mA, 在b點(diǎn)VINDPM的環(huán)路開(kāi)始響應(yīng)，開(kāi)始減少充電電流，但從c點(diǎn)可以看到，VINDPM的環(huán)路沒(méi)辦法將充電電流控住，從而Vbus發(fā)生跌落，跌落至工作門(mén)限以下。此時(shí)芯片停止工作，Vbus由于負(fù)載變輕，又恢復(fù)到正常電壓。但恢復(fù)到正常電壓后，又重新進(jìn)入上電流程，芯片要重新進(jìn)行poor source檢測(cè)，需要~30ms左右的時(shí)間，這個(gè)過(guò)程中系統(tǒng)端只能由電池來(lái)供電。從上面分析可以看到，其本質(zhì)原因是在于VINDPM的響應(yīng)時(shí)間比芯片從預(yù)充到快充的充電電流變化時(shí)間要慢，所以VINDPM在這種大負(fù)載切換時(shí)來(lái)不及起作用，導(dǎo)致Vbus電壓被拉下來(lái)，從而導(dǎo)致無(wú)法充電。而實(shí)際采用真實(shí)電池時(shí)，在中間進(jìn)入supple mode的階段，電池因?yàn)樵谙哪芰克噪妷簳?huì)被拉下來(lái)，等到再次恢復(fù)充電的時(shí)候，電池電壓比較低，所以還是在進(jìn)行預(yù)充電階段，當(dāng)切入快充階段時(shí)，又會(huì)進(jìn)入到停充的狀態(tài)，所以導(dǎo)致電池電壓一直無(wú)法充到3V以上，進(jìn)入正常的快充狀態(tài)。
那針對(duì)這個(gè)問(wèn)題，因?yàn)閂INDPM的響應(yīng)時(shí)間是跟它環(huán)路本身的響應(yīng)有關(guān)，這個(gè)是沒(méi)辦法修改的，那么我們可以從系統(tǒng)層面去解決這個(gè)問(wèn)題?？梢詫⒊潆婋娏鞯奶龔闹苯犹?，改為階梯式的抬升，讓每次的電流跳變幅度沒(méi)有那么大，這樣可以使得輸入電壓在這樣小的跳變下不會(huì)被拉低到工作電壓點(diǎn)以下。同時(shí)應(yīng)該本身是穿戴類的應(yīng)用，其電池容量也比較小，所以這種臺(tái)階式的充電電流抬升對(duì)整體的充電時(shí)間影響也基本可以忽略。
Fig7a 原先的充電策略
Fig7b 新的充電策略
結(jié)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(lái)不及響應(yīng);
Vbus是輸入電源電壓，Vbusfalling是芯片工作電壓點(diǎn)，在手冊(cè)中可以看到為3.9V( typical), 這邊要確保輸入電壓不會(huì)跌落到欠壓門(mén)限以下，所以從正常工作的Vbus到欠壓點(diǎn)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(duì)應(yīng)的響應(yīng)時(shí)間，從前面的測(cè)試波形可以得到。在這段時(shí)間內(nèi)，VINDPM來(lái)不及響應(yīng)，那么電容上的電壓就可能會(huì)跌落到VINDPM設(shè)定門(mén)限以下；
（Ich1-Ich2）為充電電流跳變步進(jìn)，Vbat為此時(shí)電池電壓，?為充電效率，可以通過(guò)手冊(cè)效率曲線得到。假設(shè)系統(tǒng)端電流是穩(wěn)定的，通過(guò)“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(shí)輸入電容上被抽走的電流，它會(huì)導(dǎo)致電壓跌落。
用這個(gè)公式可以大致算出，要使得Vbus電壓不要跌落到欠壓點(diǎn)以下時(shí)，充電電流最大的變化值，也就是臺(tái)階式去抬升電流的最大的臺(tái)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(gè)臺(tái)階是~0.15A。在TVINDPM時(shí)間后按照這個(gè)臺(tái)階去抬升充電電流，即可以保證輸入電壓始終處于工作狀態(tài)內(nèi)。
結(jié)論
本文針對(duì)BQ25601的錯(cuò)誤上報(bào)機(jī)制進(jìn)行了說(shuō)明，在多個(gè)錯(cuò)誤同時(shí)發(fā)生的情況下依然只會(huì)有一個(gè)INT信號(hào)，需要去進(jìn)行二次讀取狀態(tài)寄存器來(lái)判斷當(dāng)前狀態(tài)。同時(shí)，本文對(duì)實(shí)際在可穿戴應(yīng)用中碰到的弱充問(wèn)題進(jìn)行了分析，原因在于輸入DPM的調(diào)節(jié)速度要慢于充電電流的調(diào)節(jié)速度，導(dǎo)致輸入電壓被拉低。給出了階梯式充電的解決方案，通過(guò)系統(tǒng)端來(lái)避免出現(xiàn)停充的問(wèn)題。
參考文獻(xiàn)
[1] BQ25601 Datasheet, SLUSCK5, Texas Instruments.
[2] BQ25601 EVM guide, SLUUBL4, Texas Instruments.
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