智能电源芯片BQ24721及其在便携式设备中的应用.doc

2012-0智7-能19#电#源#芯#片#B#Q#2#42702112及-0其7-在19便#携#式#设#2#0备12中-0的7-1应9#用#祝华军 ,俞成森 ,丁洪(浙江杭钻股份有限公司 ,浙江 杭州 310016 )摘 要 :详细介绍了 T I公司新推出的一款智能电源芯片 BQ 24721 ,包括它的功能 、特点及其在便携式设备电源系统中的应用 。研究表明 , BQ24721是一款集电源自动选择 、电池充电器及安全保护于一体的高 集成度 、高精度的整合式电源芯片 ,它为便携式设备的电源系统设计提供了一种有效的解决方案 ,值得 深入研究和推广 。关键词 : BQ 24721;动态电源管理 ;系统管理总线 ;智能电源管理中图分类号 : TP303. 3文献标识码 : A文章编号 : 1001 - 4551 ( 2008 ) 01 - 0089 - 04Power ch ip BQ24721 an d its a pp l ica t ion in por ta b le power sy stemZHU H ua2jun, YU Cheng2sen, D IN G Hong2kun( Z hejiang H angzhou D rilling M ach ine M anufactory Co. , L td. , H angzhou 310016, C h ina )A b stra c t: A new in te lligen t powe r ch ip BQ24721 wa s in troduced in de ta il, inc lud ing its cha rac te r, func tion and its app lica tion in po rtab le powe r system. A nd the re su lt show s tha t the BQ24721 is no t on ly a m u ltifunc tion powe r ch ip w ith system powe r se lec to r, dynam ic powe r m anagem en t (D PM ) cha rge r and se lf2p ro tec tion, bu t a lso an in tegra ted powe r ch ip w ith the cha rac te ristic of h ighin tegra tion and h igh p rec ision. It p rovide s an effic ien t m e thod to de sign po rtab le powe r system , and is of recomm endab le.Key word s: BQ24721; dynam ic powe r managem en t (D PM ) ;system m anagem ent bus ( SMB ) ; sm a rt powe r managem en t ( SPM )管理总线 ( SMB )接口的集成式电池充电控制器 ,主要面向便携式应用中的多电池和多种化学成份电池组 。 可通过 SMB 通信接口方便地连接至系统的主机控制 器 。其稳压充电误差在 0. 4 %以内 , 且电流放大器输 出的误差在 2 %以内 。它采用同步 NMO S2NMO S整流 器 ,功效高达 94 % 。BQ 24721集成了多项高性能特性 ,其中包括系统 电源选择器功能 ,可为正确管理系统负载自动选择 AC 适配器或电池供电 。该器件的动态电源管理 (D PM ) 功能可根据系统的负载情况控制充电 , 从而 避 免 AC 适配器过载 。此外 ,高精度电流传感放大器还可对充 电电流和 AC 适配器电流进行精确测量 ,以避免电池 组“无故 ”终止供电 ,并能监控整个系统的用电情况 。BQ 24721的主要特性包括 1 :( 1 ) 高效率的 NMO S2NMO S同步 DC /DC 降压转 换器 ,用户可选择频率为 300 kH z或 500 kH z。( 2 ) 可通过 SMB 编 程 的 电 池 电 压 、充 电 电 流 及AC适配器电流 。0 前言当前 ,随着科学技术的发展 ,越来越多的产品正朝 可携式的方向发展 ,由于消费者对可携式产品使用时 间的要求越来越长 ,而且 ,各类高科技产品正不断地往 轻 、薄 、短 、小方面发展 。因此 ,方便轻巧的整合式智能 电源供给正迅速成为这类便携式产品的一项迫切需求 。整合式智能电源是一种基于系统管理总线 ( SMB ) 的标准智能电池系统 ,它主要由充电模块 、安全保护模 块和计算通信模块 3 个模块组成 : 充电模块主要是 负责完成对电池的充电以及电源的自动选择和切换 , 以保证不间断供电 ; 安全保护主要包括过充电保护 、 过放电保护 、过流保护及过温保护等 ; 计算通信模块 则是整个系统的纽带 ,联合充电模块和安全保护模块 一起来实现便携式设备的连续 、稳定 、安全供电 。本研究主要介绍智能电源芯片 BQ 24721 的功能 、特点及其应用 。1BQ24721 的性能特点( 3 ) 高精度充电管理 :充电电压精度为 0. 4 % ,充2012-07BQ-2147921#是#德#州#仪#器#( T#I)#推#出#的#一#款#带2有0系1统2-07电-电1流9调#节#精#度#为#3#%#2,适#0配1器2电-流0调7-节1精9度#为#3#%#。#( 4 ) 集成充电精度为 2 % , AC 适配器提供的电流放大器输出 。( 5 ) 自动电源选择器与动态电源管理 。20 倍AC )时 ,引 脚 ACDRV 的 电 压 拉 高 为 PVCC 引 脚 的 电平 ,即 VACDRV= V PVCC ,所以 AC的 P沟道 MO SFET (简称为 PMO SFET)管 Q2 处于断开状态 ,从而切断了 AC 与主系统的联接 ,并采用先断后合的逻辑阻止浪涌电流 进入电池组 。而引脚 BA TDRV 的电压则被一个内部 调节器拉低为比 SYS引脚低 6 V ,即 VBA TDRV = V SYS - 6 , 因而电池的 PMO SFET管 Q5 处于导通状态 ,实现电池直流 电 源 给 主 系 统 供 电 。当 检 测 到 适 配 器 时 , 有( 6 ) 电池组电压范围介于 0 19. 2 V 之间 ,适用于 3 4节串联锂离子电池 。( 7 ) AC适配器工作电压范围为 8 28 V ,最大占 空比 99. 5 % 。( 8 ) 充电器软启动 ,充电 /适配器电流过大保护 ,电池放电保护 ,以及 IC温度监控等 。- 6 , 所以 Q5 切 断 , 而 Q2VBA TDRV = VSYS , VACDRV = VPVCC导通 ,从而实现适配器直接给主系统供电 。2. 2 动态电源管理2. 2. 1 参数设置及过电保护 系统的参数设置主要包括充电电流 IBA T 、输入电BQ24721 在便携式设备电源系统中的应用2BQ24721 主要应用于笔记本电脑 、便携式 DVD 播放器以及便携式设备等 ,其电源系统框图 ,如图 1所示 。 图 1中 ,实线箭头标明电源的供电走势 。BQ24721结合简单的电源处理及开关切换电路 ,可实现电源供 电方式的自动切换 。当 BQ24721 检测到有交流适配 器时 ,则由适配器给主系统供电 ,同时进行电池组的充 电 ;当 BQ24721检测到没有交流适配器时 , 则电池组 放电 ,并给主系统供电 。虚线箭头则表示各系统模块 之间的联系方式 。整个电源由单片 机 构成 嵌入 式 系 统 , 采 用 具 有 SMB (与 I2 C 兼 容 ) 接 口 的 单 片 机 C8051 F300完成充 /放电状态的测量控制 、电池状态的 读取 、运算及存储 ,并利用 C8051 F300标准的 SMB 2. 0 接口与主系统进行通信 ,完成相关信息的读取和命令 发送等功能 ,实现电源的智能管理 。BQ 24721在便携式设备电源系统中应用的硬件电 路 ,如图 2 所 示 , 主 要 包 括 系 统 电 源 自 动 切 换 电 路 、SMB 通讯电路 、以及电池充电电路等 。 3 流IAD PT及充电电压 VBA T的设置 。充电电流 IBA T设置方 式如 下 : BQ 24721 采用 一 个专用的 IBA T DAC寄存器 ( 0 x14 ) ,通过编程来精确设置充电电流 。该寄存器的 7 14 位有效 ,采用 10 m 的取样电阻 (图 2 中的 R2 )时 ,充电电流范围对应为 016. 384 A。 IBA T DAC 寄存器 (以 10 m 为取样电阻 )各位的定义 ,如表 1 所示 。表 1充电电流寄存器 ( IBA T DAC)位 ( b it)SB S规格BQ24721类 SB S06 (L SB )78910111213141 mA 64 mA128 mA256 mA512 mA1 024 mA2 048 mA4 096 mA8 192 mA1 6384 mANA128 mA ( 1. 28 mV )256 mA ( 2. 56 mV )512 mA ( 5. 12 mV )1 024 mA ( 10. 24 mV )2 048 mA ( 20. 48 mV )4 096 mA ( 40. 96 mV )8 192 mA ( 81. 92 mV ) NA 15 32 768 mA NA 同理 ,输入电流的设置及充电电压的设置也是通过专用 的 寄 存 器 编 程 来 实 现 。输 入 电 流 通 过 ID PM DAC 寄存器 ( 0 x3 F)的 714 位来设置 ,且取样电阻 R1 也等于 10 m ,输入电流范围也是 0 16. 384 A。充 电电压范围是通过 VBA T DAC寄存器 ( 0 x15 )来设置 , 每节电池的充电电压范围为 4 4. 8 V ,则 3 节电池组 成的电池组的充电电压范围为 12 14. 4 V , 4 节电池 的电池组电压范围为 1619. 2 V。2. 2. 2 过电保护过电保护主要包括 AC 过流保护 、充电器过流保 护 、电池过压保护 、电池过放电保护以及温度过高的二 次保护 。( 1 ) AC过流保护 。先通过控制寄存器 ( 0 x12 )的b6、b7、b8设置系统的过电流阈值 ,其中 b6表示使能 ,始图 1 便携式设备供电系统框图2. 1 系统电源选择在便携式设备的设计上 ,一般需要给系统设计两 套电源供电电路 ,一套是固定的适配器供电电源 ,另一 套是便携式可移动的电池供电电路 2 。因 而适 配 器 与电池电源之间的无间断自动切换就显得尤为重要 。 BQ24721是一种带 有 系统 电源 选择 器 的充 电控 制 芯 片 ,它能自动地实现适配器电源与电池电源之间的相互切换 , 当 它 没 有 检 测 到 适 配 器 电 源 (以 下 简 称 为图 2 BQ24721及其外围电路图终为 1, b8 和 b7 的含义分别为 : 00 表示 1. 3 IAD PT , 01表示 1. 5 IAD PT , 10表示 1. 7 IAD PT , 11表示 1. 9 IAD PT。 然后比较监测的输入电流与过电流阈值的大小 ,若实际 输入电流大于过电流阈值 ,则通过拉高引脚 ACDRV 的 电压 、切断 AC的 PMO SFET来实现输入过流保护 。( 2 ) 充电器过流保护 。BQ 24721监测实际的充电 电流 ,并与编程设置的 IBA T进行比较 ,若实际充电电流 超过 200 % IBA T ,则高边门驱动自动关闭 , 直到实际 电流下降到安全电流之后 ,系统自动打开高边驱动门 , 继续充电 。( 3 ) 电池过压保护 。BQ 24721监测实际的电池电 压 ,并与编程设置的充电电压相比 ,若超过编程电压的110 % ,则充电转换器关闭 ,直到实际电压降至编程电 压的 102 %之后 ,又再次自动打开 ,重新充电 。( 4 ) 电 池 的 过 放 电 保 护 。先 通 过 控 制 寄 存 器 ( 0 x12 ) 的 b9、b10、b11 设置电池的过放电阈值 , 其中 b11、b10和 b9 的含义分别为 : 000 表示 2. 2 V , 001 表 示 2. 3 V , 111 表示 2. 9 V。然后比较电池放电电 压与过放电阈值的大小 ,若电池放电电压小于过放电阈值 ,则令状态寄存器 ( 0 x13 ) 的 b11 = 1 ,并发送警报统电流 ISYS之差 ,即IBA T = IAD PT- ISYS 。如果IBA T与 ISYS之和 超 过 了 适 配 器 电 流 的 最 大 值IAD P2TMAX , 即 IBA T+ISYS IAD PT2MAX ,则通过 BQ24721的 D PM 功能可减小电池充电电流 ,使这个输入电流消耗保持在适配器的限 定容量之内 。随着系统电流的减小 ,充电电流会相应 增加 ,使电池充电时间缩短到最低限度 。系统的 电 流 分 配 , 如 图 3 所 示 , 当+ ISYS IBA TIAD PT2MAX时 , 充 电 器 工 作 在 同 步 充 电 模 式 , 此 时 , 低 边NMO SFET管 Q4 切断 , 而高边 NMO SFET管 Q3 导通 ,使整个电池组在高电流条件下充电 。而当IBA T + ISYS IAD PT2MAX之后 ,充电器工作于异步模式 ,一方面 , D PM通过 PWM 控制器减小占空因数 ,从而减小电池充电电流 ,使之满足- ISYS ; 另一方面 ,高边 NMO S2IBA T = IAD PTFET管 Q3 切断 ,而低边 NMO SFET管 Q4 导通 80 n s (以确保开机电容能再充电 ,以便下次循环时 ,高边 NMO S2FET管 Q 能够顺利打开 ) ,然后再关闭 ,直到系统电流3I 减小到 I I- I 之后 , Q 再次打开 ,并进SYS AD PT2MAX BA TSYS3入同步充电模式 ,完成一次动态电源的管理 。信号 ALARM ,以实现过放电保护 。过温保护 。节点温度超过 145 , 充电 转换 器 自 动关闭 ,直到节点温度低于 130 。2. 2. 3 动态电源管理 (D PM )及充电流程电池充电电流 I 为输入 (适配器 )电流 I与系L TC4101相比具有更高的精度 、智能性和性价比 ,是一种值得推广的智能电源管理 IC。2. 3 SM B通信SMB 是 In te l公司于 1995 年发布的一种双向两线 串行通讯总线标准 , 具有接口线 少 、通 讯效 率高 等 特 点 4 , 5 。它由两根总线 串行数据线 ( SDA ) 和串行时 钟线 ( SCL )构成 。主要应用于主从系统 ,主器件控制总 线操作 ,包括开始 /结束传输 、发送信息并产生 SMB 总 线系统时钟等 。在整个传输过程中 ,所有的传送都通过 主控的 SCL 来同步 ,且 SMB 接口都必须通过上拉电阻 使总线在空闲状态下为高电平状态 (如图 2所示 ) 。计算机通信部分采用 Silab s公司的低成本单片机 C8051 F305 ,它具有流水线指令结构的高速 8051 微控 制器内核 、256字节 RAM、2 kB F la sh存储器 、8 个 I/O 口 、标准 SMB 接口 、3V 供电 、低功耗等特点 。整个电源由具有 SMB u s (与 I2 C兼容 )接口的单片机 C8051 F300 构成嵌入式系统 ,利用 C8051 F305 标准 的 SMB 2. 0接口与 BQ 24721 进行通信 ,完成系统充 / 放电状态等相关信息的读取以及各种充 /放电参数设 置命令的发送等功能 ,实现电源的智能管理 。2. 4 BQ24721与同类型电源管理 IC 的比较当前的电源管理 IC 首推 T I、MAX IM、L T的芯片 , 与 T I公司的 BQ 24721 同类型的是 MAX1909 /8725 和 L TC4101 ,它们的相互比较 ,如表 2所示 6 。从表 2可知 , BQ24721与同类型的 M ax1909 /8725、表 2 BQ24721与同类型 IC的性能比较3 结束语电源芯片 BQ 24721 本身自带的电源选择器结合 功能简单的切换电路 ,可方便有效地实现适配器与电 池组之间的智能无间断供电切换 。它的动态电源管理 则可动态地调节充电电流 ,使充电时间缩短到最低限 度 ,并结合完善的安全保护功能 ,可大大地提高电池的 使用寿命 。此外 , BQ24721内嵌的 SMB 接口也有利于 实现整个充电系统的智能管理 。总之 , BQ 24721是一款集电源自动选择 、电池充电 器及安全保护于一体的高集成度 、高精度的整合式电 源芯片 ,它为便携式设备的供电系统开发提供了一种有效的解决方案 ,具有良好的推广价值 。参考文献 ( Referen ce) :TEXA S IN STRUM EN TS Co rp. . 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