充电管理芯片基础
一.充电管理芯片简介
- 充电管理芯片是一种专用于管理可充电电池（特别是锂离子/锂聚合物电池）充电过程的集成电路。其核心功能是安全、高效、智能地将能量从输入源（如适配器、USB端口）传输至电池。
- 充电管理芯片分为线性充电管理芯片和开关充电管理芯片。
二.线性充电管理芯片
1.BQ25186的引脚说明
- ①IIC通讯接口：SCL和SDA是典型的IIC通讯的IO口，分别接上拉电阻到VIO，Host是一颗控制器，用于跟芯片进行串口通信，以配置不同的工作模式和测试模式。当然，对于ATE测试来说，Host应该换为测试机台的数字通道。
- ②/INT引脚：中断请求信号。当BQ25186有紧急情况（如充电完成、温度异常）需要报告时，会通过此引脚主动“打断”Host，Host收到信号后再通过I2C读取详细状态。这提高了效率，无需Host不停地查询。
- ③/CE引脚功能：芯片使能引脚（低电平有效）。当主机将此引脚拉为低电平时，芯片完全关闭，进入超低功耗模式。通常通过一个电阻上拉至VIO或VBUS，并可被MCU的GPIO控制。
- ④PG/GPO引脚：此引脚可配置为电源良好信号或通用输出信号，用于向Host提供简单的状态指示。
- ⑤IN引脚：主电源输入引脚。连接外部电源，如USB端口或适配器（典型值为5V）。外围元件：需要连接 1μF 和 10μF 的输入滤波电容到地，用于滤除噪声并稳定输入电压。
- ⑥SYS引脚：系统电压输出引脚。这是芯片内部功率路径管理的关键体现。当接入VBUS时，芯片优先通过此引脚为系统主板供电。 当无VBUS时，芯片通过此引脚从电池取电为系统供电。 外围元件：需要连接一个 10μF 的大容量电容到地，作为系统负载的能量库，满足负载瞬时大电流的需求。
- ⑦BAT引脚：电池连接引脚。直接连接到单节锂离子/锂聚合物电池的正极。 外围元件：需要连接一个 1μF 的去耦电容到地，用于稳定充电环路，防止电压振荡。
- ⑧TS/MR引脚：温度监测/手动复位引脚。 主要功能：连接一个外部的NTC热敏电阻到地。该热敏电阻必须紧贴电池安装，芯片通过测量其阻值来实时监测电池温度，并在温度超出安全窗口时暂停充电。 次要功能：可通过I2C配置为手动复位输入引脚。
- VBUS：它接收的是一个经过外部适配器(充电头)处理后的、纯净的直流电压（通常由ACDC转换而来）。这个电压通常是标准的5V，或者在支持快充时，可以是通过协议协商后的更高电压(如9V或12V)。
2.BQ25186的工作原理
- BQ25186 集成了一个线性充电器，允许使用高达 1A 的可编程的充电电流为电池充电。除了充电电流之外，其他充电参数还可以通过 I2C 进行编程，例如预充电、终止和输入电流限制。
- 即使在电池电量耗尽或正在充电时，也可以使用电源路径从 IN 引脚获取电源，从而通过调节输出 SYS 为系统供电。此外，还会优先处理 SYS 中的系统负载，必要时降低充电电流，以便在输入功率受限时支持负载。如果输入 电源被移除并且电池电压电平高于 VBUVLO，SYS 将自动无缝地切换到电池电源。 充电通过内部电池 MOSFET 完成。有几个环路会影响充电电流：恒流环路(CC)、恒压环路(CV)、输入电流限 制、热调节、VDPPM 和 VINDPM。在充电过程中，所有环路都会启用，并且占主导地位的环路获得控制权。 器件通过可调的电池调节电压(VBATREG) 和充电电流(ICHG) 选项，支持单节电池应用的多种电池化学成分。
3.BQ25186的充电模式及充电曲线
- ①涓流充电：当电池电压VBAT<VBATSC(电池短路阈值电压，典型值为1.8V，低于1.8V时电池被认为是短路状态)时，电池进入欠压状态，此时充电器进入一种保护性充电模式，即涓流充电模式。在此模式下，充电电流会被限制在一个非常低的水平，典型值仅为1mA(IBATSC)。
- ②预充电：当电池电压VBATSC<VBAT<VLOWV(低压阈值，典型值为3V，低于3V时电池被认为是低压状态)时，充电电流被调整为IPRECHG，该电流是快充电流的一个固定比例，通常是终止电流的2倍。
- ③快充恒流：当电池电压VBAT>VLOWV时，电池进入快速充电模式，此时充电电流被调整为快充电流(一般为用户设置的最大值)，此时充电回路为CC环路，在这一阶段电池电压持续快速上升。
- ③快充恒压与终止：当电池电压达到用户设定的调节电压VREG(一般为4.2V)时，恒压环路CV占主导地位，为了将电池电压维持在恒定电压，充电电流开始逐渐衰减，当充电电流衰减到终止电流(ITERM)的一定比例时(可配置为ICHG的10%，20%或5%)，芯片自动终止充电，并断开电池与SYS的连接。这一阶段的目的是确保电池被充至精确的电压，同时防止过充。
- 充电终止后，如果电池电压跌落至VBATREG以下一个阈值VRCH(可配置为100mV或200mV)，将自动开启一个新的充电周期。目的：在电池因自放电或轻微负载导致电量下降后，自动为其补充能量，使电池始终保持在高电量状态。
- 总结来说，BQ25186的充电过程是一个从低到高、从恒流到恒压的智能、平滑转换过程，通过精确的电压和电流检测与控制，确保了对单节锂离子/锂聚合物电池的高效、安全充电。
三.开关充电芯片
1.电容型开关充电芯片SGM41600的工作原理
- 以下图圣邦微的SGM41600.pdf为例，SGM41600 是一款采用开关电容(电荷泵)架构的高效电池充电管理芯片。它的核心使命是为单节锂电池（如手机电池）提供大电流、高效率的快充，同时集成全面的智能管理功能。
- 与传统的基于电感的开关充电器不同，SGM41600 的核心是一个两相交错式开关电容网络。它通过控制内部MOSFET开关，让飞跨电容(Flying Capacitor）在输入和输出端以特定的相位快速切换，来实现电压转换和能量转移。
- 芯片会根据输入电压(VBUS)和电池电压(VBAT)的关系，智能地在两种模式间切换，以始终保持最高效率。当输入电压(VBUS，如9V)远高于电池电压(VBAT，如~3.7V-4.2V)时启用高效恒流快充模式(2:1 降压模式)，目的：在以最大电流（如3A）为电池快速充电时，显著降低输入端的电流压力。
- 当输入电压(VBUS，如5V)与电池电压(VBAT，如~4.2V)非常接近时启用高效直通模式(Bypass Mode)，内部开关管全部导通，在VBUS和电池之间形成一个低阻抗的直通路径，输入电源直接为系统供电并为电池充电。目的：避免不必要的转换损耗，在此电压条件下实现接近100%的极致效率。
2.电感型开关充电芯片BQ25890的工作原理
- BQ25890/2 是一款采用同步Buck(降压)拓扑的高集成度开关充电芯片，其核心使命是为单节锂电池提供高达5A的大电流快速充电，并集成智能电源路径管理(NVDC架构)，确保系统在任何情况下都能优先获得供电。BQ25890/2 采用 MaxChargeTM 技术实现高输入电压和可调电压 USB On-the-Go 升压模式的 I2C 控制型单节电池 5A 快速充电器 datasheet (Rev. D)
- 与电荷泵不同，BQ25890的核心是一个基于电感(L) 的同步Buck转换器。它通过控制内部功率MOSFET的开关，将较高的适配器电压(如5V/9V/12V)高效地降低至电池所需的电压(约3.5V-4.4V)。
- 它是一款利用同步Buck降压技术，通过NVDC电源路径管理，在I2C主机控制下，为电池提供大电流、高效率、高安全性充电，并优先保障系统供电的一体化电源管理解决方案。其价值在于提供了无与伦比的通用性和灵活性，能够适应从标准USB端口到高压适配器的各种输入源，并通过全面的集成和保护功能，成为智能手机、平板电脑等便携设备中可靠且强大的能源心脏。
- 芯片在无需主机持续干预的情况下，能自动完成一个完整的、安全的充电周期：
- 涓流预充(Trickle Charge)：当电池电压过低(如<3.0V)时，采用较小的电流(如128mA)对深度放电的电池进行预充，保护电池健康。
- 恒流快充(Constant Current - CC)：电池电压正常后，采用设定的最大电流(如5A)快速充电。此阶段由电流环控制，电池电压持续上升。
- 恒压精充(Constant Voltage - CV)：当电池电压接近设定值(如4.2V)时，转为恒定电压模式。为维持电压不变，充电电流开始逐渐下降。此阶段由电压环控制。
