ADP5065：高效單節(jié)鋰電池充電器的全方位解析

在當今便攜式電子設(shè)備飛速發(fā)展的時代，電池充電器的性能至關(guān)重要。ADP5065作為一款面向單節(jié)鋰離子或鋰聚合物電池的高性能充電器，憑借其卓越的特性和廣泛的應(yīng)用場景，成為眾多電子工程師的首選。下面就來深入了解這款充電器。

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一、ADP5065的顯著特性

高效充電能力

ADP5065采用3MHz開關(guān)模式充電器，具備高達1.25A的專用充電器充電電流，即使是從500mA的USB主機，也能提供高達680mA的充電電流。這種高效的充電能力大大縮短了充電時間，滿足了用戶對快速充電的需求。

寬電壓輸入與高耐壓性

它的工作輸入電壓范圍為4.0V至5.5V，卻能耐受高達20V的電壓。這一特性有效解決了USB總線在連接或斷開時的電壓尖峰問題，提高了充電器的穩(wěn)定性和可靠性。

電池隔離與保護功能

內(nèi)置的電池隔離FET能夠在涓流充電和快速充電模式下，將深度放電的鋰離子電池與系統(tǒng)電源隔離，確保系統(tǒng)始終能夠獲得穩(wěn)定的供電。同時，電池熱敏電阻輸入可在電池溫度超出限制時自動關(guān)閉充電器，并且符合JEITA鋰離子電池充電溫度規(guī)范，為電池提供了全方位的保護。

全面的USB兼容性

該充電器完全符合USB 2.0、USB 3.0以及USB電池充電規(guī)范1.1，支持通過迷你USB VBUS引腳從壁式充電器、車載充電器或USB主機端口進行充電。通過外部USB檢測芯片檢測USB源類型，可設(shè)置正確的電流限制，以實現(xiàn)最佳充電效果并確保USB兼容性。

I2C可編程性

支持I2C接口，允許處理器對充電電流和眾多其他參數(shù)進行編程，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等。這為工程師提供了極大的靈活性，能夠根據(jù)不同的應(yīng)用需求進行定制化設(shè)置。

二、充電器工作模式詳解

輸入電流限制

VINx輸入電流限制可通過內(nèi)部I2C ILIM寄存器進行控制，也可以通過IIN_EXT引腳進行設(shè)置。默認I2C寄存器值為100mA，但任何I2C的更改都會優(yōu)先于引腳設(shè)置。這種靈活的設(shè)置方式確保了充電器能夠與各種USB源兼容。

涓流充電模式

對于深度放電的鋰離子電池，其電壓可能非常低，直接進行大電流充電會存在安全風險。ADP5065采用涓流充電模式，以較低的電流（ITRK_DEAD）對電池進行充電，將電池電壓提升到安全水平后再進行快速充電。涓流充電模式可以通過TRK_EXT引腳進行控制，不過I2C的設(shè)置優(yōu)先級更高。如果涓流充電模式持續(xù)超過60分鐘而電池電壓仍未達到VTRK_DEAD，則會觸發(fā)故障，停止充電。

弱充電模式（恒流）

當電池電壓超過VTRK_DEAD但低于VWEAK時，充電器進入弱充電模式。在這種模式下，由于電池電壓較低，USB收發(fā)器無法正常工作，USB電流限制保持在100mA。電池充電電流（ICHG_WEAK）通常設(shè)置為20mA，以確保系統(tǒng)微控制器能夠正常運行。同時，其他特性如等溫充電模式或輸入電流限制可能會影響實際的充電電流。

快速充電模式（恒流和恒壓）

當電池電壓超過VTRK_DEAD和VWEAK時，充電器切換到快速充電模式。在恒流階段，以恒定電流ICHG對電池進行充電；當電池電壓接近終止電壓VTRM時，進入恒壓充電階段，逐漸降低充電電流，以確保電池充滿電。如果快速充電模式持續(xù)時間超過tCHG而電池電壓仍未達到VTRM，或者達到VTRM但充電電流未降至IEND以下，則會停止充電。

充電完成與再充電

在恒壓快速充電模式下，當充電電流降至IEND以下并持續(xù)tEND時間時，充電停止，CHDONE標志置位。當電池放電至VRCH時，充電器會重新啟動充電，通常直接進入快速充電恒壓模式。

充電啟用/禁用

可以通過設(shè)置I2C EN_CHG位為低來禁用ADP5065的充電功能，方便工程師根據(jù)實際需求進行靈活控制。

三、熱管理策略

等溫充電

ADP5065具備等溫充電功能，當芯片上的功耗和管芯溫度升高時，充電器會監(jiān)測管芯溫度。當溫度達到TLIM（通常為115°C）時，會限制輸出電流，以維持管芯溫度在TLIM。當功耗降低或環(huán)境溫度下降時，充電電流可以恢復到原來的值。

熱關(guān)斷和熱預警

充電器設(shè)有熱關(guān)斷閾值檢測器，當管芯溫度超過TSD（140°C）時，充電器會被禁用，TSD 140°C位會被置位。當管芯溫度降至TSD下降極限以下，并通過I2C寫入清除TSD 140°C位后，充電器可以重新啟用。在溫度達到TSD之前，如果超過TSDL（130°C），會設(shè)置早期預警位，提醒系統(tǒng)調(diào)整功耗。

故障恢復

當充電器出現(xiàn)故障（CHARGER_STATUS等于110）時，需要先排除故障原因，然后通過對VINx進行電源循環(huán)或向I2C故障寄存器中的故障位寫入高電平來重置故障。

四、電池檢測與溫度傳感

電池檢測

ADP5065通過主動向ISO_Bx/BAT_SNS節(jié)點注入和吸收電流，并檢測電壓隨時間的變化來判斷電池是否存在。在吸收階段，檢測已充電的電池；在注入階段，檢測已放電的電池。如果在檢測過程中，BAT_SNS引腳的電壓滿足相應(yīng)條件，則可以判斷電池的狀態(tài)。同時，充電器還能檢測電池短路故障，當電池電壓在指定時間內(nèi)未超過VBAT_SHR時，會判定電池短路，停止充電并保持系統(tǒng)電壓穩(wěn)定。

電池組溫度傳感

通過THR引腳連接電池組熱敏電阻，充電器可以監(jiān)測電池組的溫度。當電池組溫度超出規(guī)定范圍（0°C至60°C）時，會暫停充電。該功能可以通過I2C進行控制，默認情況下溫度傳感功能關(guān)閉。ADP5065支持使用標稱室溫值為10kΩ或100kΩ的NTC熱敏電阻，并通過保險絲選擇不同的溫度系數(shù)曲線（beta）。此外，它還符合JEITA鋰離子電池充電溫度規(guī)范，在不同溫度條件下會自動調(diào)整充電參數(shù)。

五、I2C接口與寄存器配置

I2C接口特性

ADP5065配備I2C兼容的串行接口，其芯片地址在寫模式下為0x28，讀模式下為0x29。通過該接口，處理器可以對充電器進行控制并讀取系統(tǒng)狀態(tài)寄存器。當VINx引腳的電源電壓低于VVIN_OK下降電壓閾值或電池斷開且VIN為0V時，寄存器值會重置為默認值。

寄存器功能與配置

ADP5065的I2C寄存器涵蓋了制造商和型號ID、硅版本、VINx引腳設(shè)置、終止設(shè)置、充電電流、電壓閾值、定時器設(shè)置、功能設(shè)置、中斷啟用和狀態(tài)等多個方面。通過對這些寄存器的配置，工程師可以實現(xiàn)對充電器各項參數(shù)的精確控制和管理。例如，通過設(shè)置ILIM寄存器可以控制輸入電流限制；通過設(shè)置VTRM寄存器可以調(diào)整電池終止電壓等。

六、外部元件選擇與PCB布局

外部元件選擇

• 電感選擇：高開關(guān)頻率允許選擇小型芯片電感。電感的峰值 - 峰值電流紋波和峰值電流需要根據(jù)相應(yīng)公式進行計算，同時要確保電感的最小直流電流額定值大于電感峰值電流。為了降低電感傳導損耗和芯損耗，建議選擇具有較小直流電阻（DCR）的屏蔽鐵氧體磁芯材料電感。
• 電容選擇：ISO_Sx和ISO_Bx的有效電容在工作過程中必須不小于10μF，且組合有效電容不得超過50μF。建議選擇具有良好溫度和直流偏置特性的X5R或X7R電介質(zhì)陶瓷電容，以確保在各種工作模式下充電器的性能穩(wěn)定。VINx電容的選擇需滿足USB 2.0規(guī)范，其旁路電容至少為1μF但不大于10μF。CFILT電容作為降壓型dc - dc轉(zhuǎn)換器的輸入電容，有效電容需要在2μF至5μF之間，并且建議選擇低ESR電容以降低電源噪聲。

  PCB布局

  良好的PCB布局對于ADP5065的性能至關(guān)重要。應(yīng)將電感、輸入電容和輸出電容盡可能靠近IC放置，使用短走線連接，以減少電磁干擾（EMI）和電磁兼容性（EMC）問題。輸出電壓路徑應(yīng)遠離電感和SWx節(jié)點，以減少噪聲和磁干擾。同時，要最大化元件側(cè)的接地金屬面積，以幫助散熱，并使用接地平面和多個過孔連接到元件側(cè)接地，以降低敏感電路節(jié)點的噪聲干擾。

七、功率耗散與熱計算

功率耗散計算

ADP5065的輸出功率可以通過公式 (P{OUT} = V{ISOS} × I{LOAD} + V_{ISOB} × I{CHG}) 計算得出，效率由公式 (eta = frac{P{OUT}}{P{IN}} × 100%) 確定，功率損耗則可以通過 (P{LOSS} = P{IN} - P{OUT}) 或 (P{Loss} = P{OUT}(1 - eta) / eta) 計算。充電器的功率損耗還包括電感的功率損耗，可以通過公式 (P{L} approx I{OUT(RMS)}^{2} × DCR{L}) 進行估算。

結(jié)溫計算

在已知環(huán)境溫度 (T{A}) 的情況下，可以使用熱阻參數(shù) (theta{JA}) 來估算結(jié)溫升高。對于20引腳WLCSP封裝，典型的 (theta{JA}) 值為46.8°C/W ，結(jié)溫 (T{J}) 可以通過公式 (T{J}=T{A}+(P{D} × theta{JA})) 計算。為了確保充電器的可靠運行，估算的結(jié)溫必須低于125°C。

八、總結(jié)

ADP5065作為一款先進的單節(jié)鋰電池充電器，憑借其高效的充電能力、全面的保護功能、靈活的可編程性以及良好的熱管理性能，為便攜式電子設(shè)備的電池充電提供了可靠的解決方案。電子工程師在設(shè)計過程中，需要深入了解其各項特性和工作模式，合理選擇外部元件，優(yōu)化PCB布局，并進行準確的功率耗散和熱計算，以充分發(fā)揮ADP5065的性能優(yōu)勢，滿足不同應(yīng)用場景的需求。你在使用ADP5065的過程中遇到過哪些問題呢？歡迎在評論區(qū)分享交流。