ADP5061：小巧而強(qiáng)大的單節(jié)鋰電池充電器

在當(dāng)今的電子設(shè)備中，電池充電管理是一個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)，尤其是對(duì)于便攜式設(shè)備而言，高效、安全且靈活的充電器至關(guān)重要。Analog Devices的ADP5061就是這樣一款值得關(guān)注的產(chǎn)品，它是一款專為單節(jié)鋰離子或鋰聚合物電池設(shè)計(jì)的I2C可編程線性充電器，具備諸多出色的特性，適用于廣泛的便攜式應(yīng)用。

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一、產(chǎn)品概述

ADP5061采用2.6 mm × 2 mm WLCSP封裝，體積小巧，非常適合對(duì)空間要求苛刻的便攜式設(shè)備。它支持通過I2C接口進(jìn)行完全編程，擁有靈活的數(shù)字控制輸入，能夠滿足不同應(yīng)用場(chǎng)景的需求。

該充電器的輸入電壓范圍為4.0 V至6.7 V，但能耐受高達(dá)20 V的電壓，這一特性有效解決了USB總線在連接或斷開時(shí)可能出現(xiàn)的電壓尖峰問題。其線性充電器架構(gòu)可在系統(tǒng)電源上提供高達(dá)2.1 A的輸出電流（4.3 V至5.0 V，I2C可編程），從專用充電器向電池充電的電流可達(dá)1.3 A。同時(shí)，它完全兼容USB 3.0和USB電池充電規(guī)范1.2，可通過迷你USB VBUS引腳從壁式充電器、汽車充電器或USB主機(jī)端口進(jìn)行充電。

二、產(chǎn)品特性

（一）充電性能

1. 多種充電模式

   • 涓流充電模式：對(duì)于深度放電的鋰電池，ADP5061采用涓流充電模式，以安全的電流對(duì)電池進(jìn)行充電，將電池電壓提升到適合快速充電的水平。當(dāng)電池電壓低于VTRK_DEAD時(shí)，充電器以涓流模式電流ITRK_DEAD進(jìn)行充電。如果涓流充電模式持續(xù)超過60分鐘而電池電壓仍未達(dá)到VTRK_DEAD，將判定為故障并停止充電。
   • 弱充電模式：當(dāng)電池電壓超過VTRK_DEAD但低于VWEAK時(shí)，充電器切換到弱充電模式。在此模式下，由于電池電壓較低，USB收發(fā)器可能無法供電并枚舉更多電流，因此USB電流限制為100 mA。電池充電電流ICHG_WEAK不能超過20 mA（若微控制器由充電器輸出供電），也不能超過100 mA的USB限制。
   • 快速充電模式：當(dāng)電池電壓超過VTRK_DEAD和VWEAK時(shí)，充電器進(jìn)入快速充電模式，以恒定電流ICHG對(duì)電池進(jìn)行充電。在充電過程中，其他特性如等溫充電模式或輸入電流限制可能會(huì)影響充電電流的實(shí)際值。當(dāng)電池電壓接近終止電壓VTRM時(shí)，充電器進(jìn)入恒壓充電模式，逐漸降低充電電流，以確保電池充滿。

2. 高精度充電：ADP5061具有出色的充電精度，USB主機(jī)電流限制精度為±5%，終止電壓精度為±1%，能夠有效保護(hù)電池并延長(zhǎng)其使用壽命。

（二）電源路徑控制

ADP5061在線性充電器輸出和電池之間集成了一個(gè)內(nèi)部FET，該特性允許電池隔離，在電池沒電或無電池的情況下為系統(tǒng)供電，使設(shè)備在連接到USB電源時(shí)能夠立即正常工作。當(dāng)VINx低于VVIN_OK時(shí)，電池隔離FET處于完全導(dǎo)通模式；在涓流充電模式下，電池隔離FET關(guān)閉；當(dāng)電池電壓超過VTRK時(shí)，電池隔離FET切換到系統(tǒng)電壓調(diào)節(jié)模式，維持ISO_Sx引腳上的VISO_SFC電壓。

（三）溫度管理

1. 等溫充電：ADP5061包含一個(gè)熱反饋環(huán)路，當(dāng)芯片溫度超過TLIM（通常為115°C）時(shí)，會(huì)自動(dòng)限制充電電流，以保持芯片溫度在推薦范圍內(nèi)。隨著芯片功耗和溫度的降低，充電電流會(huì)恢復(fù)到編程水平。
2. 熱關(guān)斷和熱預(yù)警：當(dāng)芯片溫度超過TSD（通常為140°C）時(shí)，充電器將被禁用，并設(shè)置TSD 140°C位。當(dāng)芯片溫度下降到TSD下降限值以下并通過I2C寫入清除TSD 140°C位后，充電器可重新啟用。在芯片溫度達(dá)到TSD之前，如果超過TSDL（通常為130°C），會(huì)設(shè)置預(yù)警位，以便系統(tǒng)在熱關(guān)斷之前調(diào)整功耗。

（四）電池檢測(cè)與保護(hù)

1. 電池電壓檢測(cè)：ADP5061具備電池檢測(cè)機(jī)制，通過主動(dòng)向ISO_Bx/BAT_SNS節(jié)點(diǎn)注入和吸收電流，并檢測(cè)電壓隨時(shí)間的變化來判斷電池是否存在。吸收階段用于檢測(cè)已充電的電池，源階段用于檢測(cè)已放電的電池。
2. 電池短路檢測(cè)：在開始涓流充電時(shí)，充電器會(huì)監(jiān)測(cè)電池電壓。如果在指定的超時(shí)時(shí)間tBAT_SHR內(nèi)電池電壓未超過VBAT_SHR，將判定為電池短路故障，關(guān)閉電池隔離FET，但通過線性穩(wěn)壓器維持系統(tǒng)電壓在VISO_STRK。
3. 過壓保護(hù)：當(dāng)電池電壓超過電池過壓閾值VBATOV時(shí)，充電器會(huì)采取相應(yīng)保護(hù)措施，確保電池安全。

（五）其他特性

1. I2C接口：通過I2C接口，處理器可以對(duì)ADP5061進(jìn)行編程，控制充電電流和眾多其他參數(shù)，如涓流充電電流水平、涓流充電電壓閾值、弱充電電流水平、快速充電電流和電壓水平、快速充電安全定時(shí)器周期、看門狗安全定時(shí)器參數(shù)等。
2. 三個(gè)外部引腳：DIG_IO1、DIG_IO2和DIG_IO3三個(gè)外部引腳可直接控制多個(gè)參數(shù)，這些引腳可進(jìn)行工廠編程，以實(shí)現(xiàn)諸如啟用/禁用充電、控制輸入電流限制、控制電池充電電流、設(shè)置中斷輸出等功能。

三、應(yīng)用信息

（一）外部組件選擇

1. ISO_Sx電容：為確保ADP5061穩(wěn)定運(yùn)行，ISO_Sx電容和系統(tǒng)電容的組合有效電容在任何操作點(diǎn)都不得小于20 μF且不得超過100 μF。建議選擇X5R或X7R電介質(zhì)且額定電壓為6.3 V或更高的陶瓷電容，以保證在必要的溫度范圍和直流偏置條件下的最小電容值。
2. ISO_Bx電容：ISO_Bx有效電容（包括溫度和直流偏置影響）在任何操作點(diǎn)都不得小于10 μF，通常需要標(biāo)稱電容為22 μF的電容來滿足所有操作點(diǎn)的要求。
3. CBP電容：ADP5061的內(nèi)部電源電壓在CBP端子配備了一個(gè)降噪電容，CBP電容在任何操作點(diǎn)都不得超過14 nF，且不得將任何外部電壓源、電阻性負(fù)載或其他電流負(fù)載連接到CBP端子。
4. VINx電容：根據(jù)USB 2.0規(guī)范，USB外設(shè)連接到USB端口時(shí)，VBUS上的電容必須至少為1 μF但不大于10 μF。如果應(yīng)用需要將VINx輸入暴露在高達(dá)20 V的電壓下，電容的電壓范圍也必須高于20 V。

（二）PCB布局指南

合理的PCB布局對(duì)于ADP5061的性能至關(guān)重要。在布局時(shí)，應(yīng)將電容盡可能靠近芯片引腳放置，以減少寄生電感和電阻。同時(shí)，要注意電源和地的布線，確保良好的電源完整性和信號(hào)完整性。參考電路和PCB布局示例可幫助工程師進(jìn)行更優(yōu)化的設(shè)計(jì)。

（三）功率耗散和熱考慮

1. 充電器功率耗散：在高溫環(huán)境和最大電流充電及負(fù)載條件下，ADP5061的結(jié)溫可能會(huì)達(dá)到最大允許工作極限125°C。當(dāng)結(jié)溫超過140°C時(shí)，充電器將關(guān)閉，直到溫度降至110°C以下并清除TSD 140°C故障位后才會(huì)恢復(fù)正常操作?？赏ㄟ^計(jì)算輸入LDO FET和電池隔離FET的功率耗散來確定總功率耗散，以便評(píng)估充電器的工作狀態(tài)。
2. 結(jié)溫計(jì)算：如果已知電路板溫度TA，可以使用熱阻參數(shù)θJA來估算結(jié)溫上升。對(duì)于WLCSP設(shè)備，應(yīng)盡可能從每個(gè)載流凸點(diǎn)（VINx、ISO_Sx和ISO_Bx）散熱，例如在這些引腳附近放置熱過孔到電路板電源平面。

四、工廠可編程選項(xiàng)

ADP5061提供了豐富的工廠可編程選項(xiàng)，包括默認(rèn)終止電壓、默認(rèn)快速充電電流、默認(rèn)充電結(jié)束電流、默認(rèn)涓流到快速充電閾值、默認(rèn)系統(tǒng)電壓、熱敏電阻電阻值、熱敏電阻β值等。不同的型號(hào)在這些選項(xiàng)上可能存在差異，工程師可以根據(jù)具體應(yīng)用需求進(jìn)行選擇。

五、總結(jié)

ADP5061是一款功能強(qiáng)大、性能出色的單節(jié)鋰電池充電器，其豐富的特性和靈活的編程功能使其適用于各種便攜式設(shè)備。在設(shè)計(jì)過程中，工程師需要根據(jù)具體應(yīng)用需求合理選擇外部組件、進(jìn)行PCB布局，并考慮功率耗散和熱管理等因素，以確保充電器的穩(wěn)定運(yùn)行和電池的安全充電。你在實(shí)際應(yīng)用中是否遇到過類似充電器的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)呢？歡迎在評(píng)論區(qū)分享你的經(jīng)驗(yàn)和見解。