概覽

近年來(lái)，筆記本電腦等移動(dòng)設(shè)備已實(shí)現(xiàn)可高達(dá)100W充電，采用可使充電連接器通用化的USB PD的應(yīng)用已經(jīng)越來(lái)越多。另外，同時(shí)采用有線充電加無(wú)線充電(無(wú)線供電)兩種充電方式的趨勢(shì)也有增無(wú)減。然而，要滿足USB PD這類的大范圍功率需求，例如要想從5V的充電器向2節(jié)電池(=8.4V)充電，系統(tǒng)必須添加升壓功能。另外，同時(shí)采用兩種充電方式，需要再增加充電IC和外置部件，并通過(guò)微控制器來(lái)控制充電切換，這些在工程實(shí)踐中復(fù)雜度與成本都會(huì)帶來(lái)不小的壓力。

應(yīng)對(duì)這些問(wèn)題，ROHM新推出了一款電池充電IC：BD99954GW/MWV。該芯片以1-4節(jié)電池為對(duì)象，利用升降壓控制生成3.07-19.2V的充電電壓，同時(shí)支持最先進(jìn)的USB PD系統(tǒng)的電池充電IC。實(shí)現(xiàn)ROHM獨(dú)創(chuàng)、業(yè)界首發(fā)的充電系統(tǒng)雙輸入功能，且搭載充電適配器判定功能，無(wú)需微控制器控制即可進(jìn)行充電切換。另外，不僅支持USB PD標(biāo)準(zhǔn)，還支持當(dāng)今最普及的USB BC1.2充電標(biāo)準(zhǔn)。可輕松實(shí)現(xiàn)USB充電、無(wú)線供電、AC適配器充電等充電方式，非常有助于創(chuàng)建更便捷的充電環(huán)境。

隨著無(wú)線充電技術(shù)漸漸普及，大多數(shù)現(xiàn)代的充電器需要兼容有線無(wú)線兩種輸入源。這樣的電路使用BD99954來(lái)搭建，可以省去傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法中的切換電路：

圖 使用BD99954來(lái)設(shè)計(jì)雙輸入電源

BD99954GW、BD99954MWV具有以下兩個(gè)特點(diǎn)，非常有助于創(chuàng)建更便捷的充電環(huán)境：

(1)業(yè)界首創(chuàng)支持雙系統(tǒng)充電。雙輸入方式，使兩種充電方式的導(dǎo)入更容易。而且還搭載充電適配器判定功能，無(wú)需微控制器即可進(jìn)行充電切換。雙輸入充電系統(tǒng)無(wú)需搭載并調(diào)整(充電路徑切換、防止電流逆流)單獨(dú)處理時(shí)所需的外置部件、晶體管和電阻器，不僅安裝面積更小，還有利于大大減輕設(shè)計(jì)負(fù)擔(dān)。

(2)升降壓控制，支持最先進(jìn)的USB PD系統(tǒng)。利用升降壓控制，從5-20V(USB PD的最大電壓)中的任意電壓均可生成電池充電所需的充電電壓。例如，進(jìn)行2節(jié)電池(=8.4V)的充電時(shí)，20V輸入時(shí)可降壓后進(jìn)行8.4V充電，5V輸入時(shí)可升壓后進(jìn)行8.4V充電。

另外，關(guān)于USB充電標(biāo)準(zhǔn)，不僅支持USB PD，還支持當(dāng)前最普及的USB BC1.2，因此可支持從以往的USB充電到USB PD充電的多種充電方式。本文利用ROHM公司為該芯片開(kāi)發(fā)的評(píng)測(cè)板: BD99954MWV Evaluation Kit對(duì)這個(gè)芯片的功能做一個(gè)評(píng)測(cè)，探索一下其使用方法與功能上的一些特色。

首先看看該BD99954開(kāi)發(fā)板：

圖 開(kāi)發(fā)板及其主要組成部分

注意，拿到的BD99954開(kāi)發(fā)板為工程樣品，所以有飛線的情況，實(shí)際上不影響對(duì)該芯片的功能評(píng)測(cè)。

硬件

原理圖

圖 原理圖1(主要電路)

圖 原理圖2(USB轉(zhuǎn)I2C部分)

因?yàn)榉直媛实膯?wèn)題，原理圖在頁(yè)面上顯示的不是很清楚，感興趣的同學(xué)可以在文末的參考資源中找pdf格式文件進(jìn)行查看。

整個(gè)原理圖比較簡(jiǎn)單，沒(méi)有什么好說(shuō)的。主要組成部分就是兩個(gè)芯片(BD99954+FT232HL)和一些無(wú)源器件。其中FT232HL是用來(lái)跟PC上的軟件通信用的，所以整個(gè)開(kāi)發(fā)板主要就是BD99954與無(wú)源器件。由此也可以看出BD99954集成度較高。

芯片

下面從芯片方面來(lái)分析一下此芯片，先看典型應(yīng)用圖：

圖 BD99954典型應(yīng)用圖

再看芯片內(nèi)部框圖：

圖 BD99954內(nèi)部框圖

從以上兩圖可見(jiàn)該芯片集成了電源管理電路中的一些常用單元，使最終的電路大大簡(jiǎn)化。

雙輸入自動(dòng)切換

比如兩個(gè)輸入源如果要切換，以往的設(shè)計(jì)：

圖 以往的雙輸入切換需要增加額外的切換電路

如果同樣的功能使用BD99954來(lái)設(shè)計(jì)，則可大大簡(jiǎn)化，上圖中的切換FET與電組可以省去：

圖 使用BD99954設(shè)計(jì)的雙輸入切換

充電曲線

圖 充電曲線

其中System Voltage為系統(tǒng)工作電壓，如果電池電壓低于該電壓那么首先要使用涓流與預(yù)充模式將電池充到該電壓。之后增加充電電流進(jìn)入快充恒流模式，將電池充到預(yù)設(shè)的滿充電壓。此時(shí)電池并未充滿，此時(shí)進(jìn)入快充恒壓模式直至電池電壓是設(shè)置的VBAT的1.15倍即停止充電。此時(shí)電池可以認(rèn)為被充滿。上述的這些參數(shù)都可以通過(guò)I2C總線進(jìn)行設(shè)置。此外為防止電池過(guò)熱，芯片還可以通過(guò)電池的溫度檢測(cè)端對(duì)電池進(jìn)行溫度監(jiān)控.溫度過(guò)高時(shí)電流減半，電壓按照三檔設(shè)置的電壓進(jìn)行按溫度輸出。

圖 恒流與恒壓參數(shù)根據(jù)溫度監(jiān)控減小

GUI配置軟件

廠家為此開(kāi)發(fā)板專門(mén)配了GUI軟件以方便迅速評(píng)估其功能，下載地址在文末的連接中。如何安裝就不多說(shuō)了，軟件分三個(gè)界面：

圖 充放電控制界面

圖 直接控制寄存器界面

圖 擴(kuò)展控制界面

功能演示1：兩路電源自動(dòng)切換充電與放電

充電連接：

圖 充電連接

放電連接與上類似，只是不接電池，由VSYS向外輸出電壓。

首先來(lái)觀察雙電源切換，斷開(kāi)VCC的5V輸入，不接電池，僅僅在VBUS上接入20.5V的筆記本電源(經(jīng)過(guò)改造)，配置使其輸出19.2V，軟件配置如下：

圖 實(shí)驗(yàn)一配置UI

注意幾點(diǎn)：首先將模式調(diào)整成4S，也就是4節(jié)串聯(lián)模式，否則芯片不允許輸出這么高電壓。其次輸出電壓那里理論上可以配置32752mV，但是芯片最高只能輸出19200mV，所以配置高了會(huì)自動(dòng)被軟件設(shè)置上限。最后3,4所指之處分別為VBUS,VCC的監(jiān)測(cè)指示燈，綠燈表示檢測(cè)到輸入。圖中所示為僅僅有VBUS輸入。

圖 實(shí)驗(yàn)一結(jié)果

這里注意本人的這個(gè)萬(wàn)用表的精度欠佳，以下不另外解釋。

現(xiàn)在將5V的VCC也接入，兩個(gè)輸入同時(shí)接入的情況下默認(rèn)使用VBUS，這個(gè)也可以通過(guò)寄存器更改偏向使用哪個(gè)輸入。

圖 兩個(gè)輸入同時(shí)接入

圖 此時(shí)依舊輸出19200mV，意料之中

關(guān)掉VBUS，只接入VCC：

圖 僅僅接入VCC(5V)

此時(shí)依舊輸出19200mV，注意此時(shí)為boost模式。

圖 VCC(5V)升壓至19200mV輸出

再來(lái)看看充電模式，該芯片可以對(duì)1-4級(jí)串聯(lián)鋰離子電池進(jìn)行充電，作者分別做了實(shí)驗(yàn)，但是由于拍照較為麻煩，此處僅僅展示單節(jié)電池充電。

圖 接入電池

注意如果該電池有溫度電阻，可以接入上圖中的綠色軍品座子已利用溫度電阻來(lái)防止過(guò)熱情況，但作者手邊沒(méi)有這樣的電池，暫且不實(shí)驗(yàn)這個(gè)功能。

對(duì)于充電，需要配置如下幾個(gè)參數(shù)：

圖 充電參數(shù)

1.涓充電壓：小于此電壓的電池要么是被保護(hù)了要么是過(guò)放了，在此電壓之前需要涓流充電

2.預(yù)充電壓：小于此電壓需要預(yù)充

3.預(yù)充電流

4.快充電流

5.快充電壓：到達(dá)此電壓即可進(jìn)入正常充電模式

6.涓流電流

7.終止電流，某些電池需要一定終止電流以防止漏電

8.配置好之后，按下此按鈕，其轉(zhuǎn)為綠色時(shí)即開(kāi)始充電，同時(shí)右邊的界面開(kāi)始顯示實(shí)際的充電曲線。

以上內(nèi)容可以與上文的充電曲線一節(jié)配合參考。

功能演示2：電池反向供電

反向供電連接：

圖 電池向外供電

當(dāng)兩個(gè)外接電源都關(guān)閉掉，這時(shí)需要電池向外反向供電。先關(guān)閉掉兩個(gè)輸入，注意此時(shí)要保持電池接入且高于3.8V，否則整個(gè)板子沒(méi)有電源就無(wú)所謂控制或者供電了。

圖 兩個(gè)輸出都斷掉

反向供電的時(shí)候一定要確認(rèn)兩個(gè)輸入都關(guān)閉了，否則就短路了，會(huì)燒壞器件的。

反向供電的配置在第二個(gè)界面，默認(rèn)是關(guān)閉的，VCC,VBUS兩個(gè)接口都可以配置輸出。

圖 反向輸出配置

圖 反向buck boost輸出

功能演示3：自定義控制

根據(jù)上文所貼的原理圖可知，官方的配置軟件是通過(guò)USB轉(zhuǎn)I2C接口來(lái)對(duì)BD99954芯片進(jìn)行控制的。既然這樣，如果要進(jìn)行自定義的控制，用戶可以另外使用主控芯片來(lái)通過(guò)I2C總線來(lái)進(jìn)行。當(dāng)然大多數(shù)應(yīng)用不需要這種自定義通信，因?yàn)樵撔酒旧砭途邆涑Ｓ脵z測(cè)與切換功能。本文只是展示一種可能，以供有高級(jí)自定義控制需求的用戶參考。

另外提一下子，其實(shí)官方提供的GUI軟件有腳本編程進(jìn)行自定義控制的功能。但是可能是工程測(cè)試版本的原因，在本人電腦上一直不能成功運(yùn)行。不過(guò)這也不是大問(wèn)題，因?yàn)閷?shí)際應(yīng)用中要么完全不控制按照默認(rèn)配置來(lái)工作，要么會(huì)通過(guò)外接的主控來(lái)通過(guò)I2C來(lái)控制。

圖 MCR運(yùn)行異常

BD99954的I2C設(shè)備地址為0x09，速率為10KHz到400KHz，其讀寫(xiě)格式、波形分別如下圖：

圖 讀word格式

圖 寫(xiě)word格式

圖 通信波形圖

由此可見(jiàn)其通信跟一般的I2C器件沒(méi)有什么不同，只要按照其命令格式即可通過(guò)I2C總線與之通信。該芯片命令集有三套：基本/擴(kuò)展/調(diào)試,通過(guò)MAP_SET命令進(jìn)行切換：

圖 命令集切換圖

具體的命令請(qǐng)查閱數(shù)據(jù)手冊(cè)，此處不一一列出。

這里使用Arduino Uno開(kāi)發(fā)板與之通信。連接信號(hào)在J47上：

圖 J47上的SCL/SDA信號(hào)

圖 BD99954+Arduino Uno

這里以配置反向輸出為7V為例，代碼如下：

//Arduino Uno control the BD99954 chip.

//Author: zhanzr@foxmail.com

#include

#define BD_ADDR 0x09

//Bit 14 Trigger VRBOOST

#define VIN_CTRL_SET 0x0A

#define VRBOOST_SET 0x19

#define CHIP_ID 0x38

#define CHIP_REV 0x39

#define MAP_SET 0x3F

void setup() {

Wire.begin(); // join i2c bus (address optional for master)

pinMode(LED_BUILTIN, OUTPUT);

pinMode(7, INPUT);

Serial.begin(115200);

}

void wr16(uint8_t cmd, uint16_t d16)

{

uint8_t dl = (uint8_t)d16;

uint8_t dh = (uint8_t)(d16>>8);

Wire.beginTransmission(BD_ADDR); // transmit to device

Wire.write(cmd);

Wire.write(dl);

Wire.write(dh);

Wire.endTransmission(); // stop transmitting]

}

uint16_t rd16(uint8_t cmd)

{

uint16_t ret16 = 0;

Wire.beginTransmission(BD_ADDR); // transmit to device

Wire.write(cmd);

Wire.endTransmission(); // stop transmitting]

Wire.requestFrom(BD_ADDR, 2);

while (2 != Wire.available())

{

digitalWrite(LED_BUILTIN, !digitalRead(LED_BUILTIN));

}

uint8_t dl = Wire.read();

uint8_t dh = Wire.read();

ret16 = ((uint16_t)dh << 8) + dl;

return ret16;

}

void loop() {

uint16_t map_set = rd16(MAP_SET);

Serial.println("MAP_SET:");

Serial.println(map_set, HEX);

uint16_t tmp = rd16(CHIP_ID);

Serial.println("CHIP_ID:");

Serial.println(tmp, HEX);

tmp = rd16(CHIP_REV);

Serial.println("CHIP_REV:");

Serial.println(tmp, HEX);

tmp = rd16(VRBOOST_SET);

Serial.println("VRBOOST_SET:");

Serial.println(tmp, HEX);

wr16(VRBOOST_SET, 7000);

tmp = rd16(VRBOOST_SET);

Serial.println("VRBOOST_SET:");

Serial.println(tmp, HEX);

tmp = rd16(VIN_CTRL_SET);

Serial.println("VIN_CTRL_SET:");

Serial.println(tmp, HEX);

delay(50000);

}

輸出：

圖 通過(guò)I2C控制開(kāi)發(fā)板輸出

結(jié)論總結(jié)

BD99954集成度高，幾乎囊括了筆記本/平板/智能手機(jī)等應(yīng)用的電源管理的絕大多數(shù)功能，使工程師的設(shè)計(jì)負(fù)擔(dān)大大減輕，產(chǎn)品穩(wěn)定性也能隨之提高。