德州儀器bq5105xB：高效無線充電解決方案

在當(dāng)今科技飛速發(fā)展的時代，無線充電技術(shù)憑借其便捷性和創(chuàng)新性，成為電子設(shè)備領(lǐng)域的熱門趨勢。德州儀器（TI）推出的bq5105xB系列產(chǎn)品，包括bq51050B、bq51051B和bq51052B，為無線充電應(yīng)用提供了高效、可靠的解決方案。本文將深入介紹bq5105xB的特性、應(yīng)用、工作原理以及設(shè)計(jì)要點(diǎn)，幫助電子工程師更好地理解和應(yīng)用這一產(chǎn)品。

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一、產(chǎn)品特性

1. 集成度高

bq5105xB將無線功率接收器、整流器和電池充電器集成在一個小封裝中，實(shí)現(xiàn)了單級無線功率接收和鋰離子/鋰聚合物電池充電功能。這種高度集成的設(shè)計(jì)不僅節(jié)省了電路板空間，還降低了系統(tǒng)成本。

2. 輸出電壓選項(xiàng)豐富

提供4.20-V、4.35-V和4.40-V三種輸出電壓選項(xiàng)，可滿足不同類型電池的充電需求。同時，支持高達(dá)1.5 A的充電電流，能夠快速為電池充電。

3. 高效充電

具有93%的峰值AC - DC充電效率，有效減少了能量損耗，提高了充電效率。在整個充電周期中，功率級輸出能夠跟蹤整流器和電池電壓，確保最大效率。

4. 強(qiáng)大的保護(hù)功能

具備20-V最大輸入電壓容限和輸入過壓保護(hù)，能夠有效防止過壓對設(shè)備造成損壞。此外，還提供熱關(guān)斷、過流保護(hù)、溫度監(jiān)測和故障檢測等功能，確保充電過程的安全性和可靠性。

5. 兼容性強(qiáng)

與WPC v1.2 Qi行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)兼容，可與符合該標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)射器配合使用，實(shí)現(xiàn)無線充電功能。

6. 封裝形式多樣

提供小尺寸的DSGBA和VQFN封裝，方便工程師根據(jù)不同的應(yīng)用需求進(jìn)行選擇。

二、應(yīng)用領(lǐng)域

bq5105xB適用于多種便攜式設(shè)備，如電池組、手機(jī)、智能手機(jī)、耳機(jī)、便攜式媒體播放器等。其高效、可靠的充電性能，能夠?yàn)檫@些設(shè)備提供穩(wěn)定的電源支持。

三、工作原理

1. 無線功率傳輸

無線系統(tǒng)由充電板（初級，發(fā)射器）和次級設(shè)備組成。充電板和次級設(shè)備中的線圈通過變壓器作用實(shí)現(xiàn)磁耦合，當(dāng)設(shè)備放置在充電板上時，功率從初級傳輸?shù)酱渭?。通過改變初級驅(qū)動的頻率，可以控制傳輸?shù)墓β柿俊?/p>

2. 通信機(jī)制

次級設(shè)備通過改變初級看到的負(fù)載來與初級通信。負(fù)載變化導(dǎo)致初級線圈電流的變化，充電板中的處理器對其進(jìn)行測量和解釋。通信采用數(shù)字方式，數(shù)據(jù)包從次級傳輸?shù)匠跫墸褂貌罘蛛p相編碼，速率為2-kbps。

3. 充電過程

當(dāng)設(shè)備放置在充電板上時，接收器線圈感應(yīng)到充電板線圈產(chǎn)生的磁通量，從而在接收器線圈中感應(yīng)出電壓。內(nèi)部同步整流器將該電壓饋送到RECT引腳，經(jīng)過濾波后為電池充電。bq5105x通過測量RECT引腳的電壓，計(jì)算實(shí)際電壓與期望電壓VRECT - REG之間的差值，并向初級發(fā)送誤差數(shù)據(jù)包，直到RECT電壓穩(wěn)定在VRECT - REG。

四、電池充電過程

1. 預(yù)充電模式

當(dāng)電池電壓 (V{BAT} ≤ V{LOWV}) 時，bq5105x進(jìn)入預(yù)充電模式。在此模式下，電池充電電流限制設(shè)置為IPRECHG，充電電流調(diào)節(jié)為快速充電電流（IBULK）設(shè)置的 (K{PRECHG}) 百分比。如果電池深度放電或短路，bq5105x會施加 (I{BAT(SC)}) 電流，將電池電壓提升到可接受的充電水平。

2. 快速充電模式 / 恒壓模式

當(dāng) (V{BAT} > V{LOWV}) 時，bq5105x進(jìn)入快速充電模式（電流調(diào)節(jié)階段），通過內(nèi)部MOSFET調(diào)節(jié)充電電流。當(dāng)電池電壓充電到 (V{BAT-REG}) 時，進(jìn)入恒壓（CV）階段，調(diào)節(jié)電池電壓到 (V{OREG}) ，并降低充電電流。當(dāng) (I{BAT}) 低于終止閾值（ (I{TERM - Th}) ）時，充電器向TX發(fā)送EPT（充電完成）通知，并進(jìn)入高阻抗模式。

3. 電池充電電流設(shè)置計(jì)算

• (R_{ILIM}) 計(jì)算：(R{ILIM}) 是從ILIM引腳到PGND的總電阻，通過公式 (R{ILIM} = R{1} + R{FOD}) 計(jì)算，其中 (R{1}=frac{K{ILIM }}{I{BULK }} - R{FOD}) ， (I_{BULK}) 是快速充電模式下的編程電池充電電流。
• 終止計(jì)算：終止閾值通過公式 (R{TERM } = K{TERM } * % I{BULK }) 計(jì)算，其中 (K{TERM}) 常數(shù)在電氣特性中規(guī)定為240 Ω/%，終止閾值設(shè)置為充電電流設(shè)置（IBULK）的百分比。

五、設(shè)計(jì)要點(diǎn)

1. 電容選擇

• 串聯(lián)和并聯(lián)諧振電容：根據(jù)WPC v1.2規(guī)范，正確選擇串聯(lián)電容 (C{1}) 和并聯(lián)電容 (C{2}) ，以確保雙諧振電路的性能。
• COMM、CLAMP和BOOT電容：BOOT電容用于確保內(nèi)部整流器FET的正常開關(guān)，CLAMP電容用于過壓保護(hù)，COMM電容用于促進(jìn)RX到TX的通信。

2. 充電和終止電流設(shè)置

根據(jù)設(shè)計(jì)要求，選擇合適的 (R{1}) 和 (R{FOD}) 來設(shè)置充電電流 (I{BULK}) ，并通過 (R{TERM}) 設(shè)置終止電流。

3. 適配器啟用

將AD引腳連接到外部USB電源，通過 (AD_EN) 引腳控制外部電源的啟用。EN2引腳用于控制有線電源的使用。

4. 布局設(shè)計(jì)

• 保持AC1、AC2和BAT的走線電阻盡可能低。
• 檢測和諧振電容應(yīng)盡可能靠近設(shè)備。
• COMM、CLAMP和BOOT電容應(yīng)放置在靠近設(shè)備的位置。
• PGND網(wǎng)絡(luò)的過孔互連對于信號完整性和熱性能至關(guān)重要。
• 高頻旁路電容應(yīng)靠近RECT和OUT引腳。
• 最小化ILIM和FOD電阻到PGND的回路。
• 對于RHL封裝，將散熱墊連接到地以幫助散熱。

六、總結(jié)

bq5105xB系列產(chǎn)品以其高集成度、高效充電、強(qiáng)大的保護(hù)功能和廣泛的兼容性，為無線充電應(yīng)用提供了優(yōu)秀的解決方案。電子工程師在設(shè)計(jì)過程中，需要根據(jù)具體應(yīng)用需求，合理選擇電容、設(shè)置充電和終止電流，并注意布局設(shè)計(jì)，以確保系統(tǒng)的性能和可靠性。通過深入了解bq5105xB的特性和工作原理，工程師可以更好地實(shí)現(xiàn)無線充電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和優(yōu)化。

你在實(shí)際應(yīng)用中是否遇到過類似產(chǎn)品的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)？你對無線充電技術(shù)的未來發(fā)展有什么看法？歡迎在評論區(qū)分享你的經(jīng)驗(yàn)和想法。