發布日期：2022-04-28 點擊率：91
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作者：Given Ding
ABSTRACT
BQ25601是一款常用的充電芯片。本文針對其錯誤上報的機制進行了說明。同時，本文針對該芯片實際應用在可穿戴產品中碰到過的弱充問題進行了問題分析和說明，并從系統層面給出了階梯式抬升充電電流的解決方案。
Contents
BQ25601簡介..................................................................................................................................... 2
BQ25601故障上報機制說明............................................................................................................... 2
BQ25601弱充問題.............................................................................................................................. 3
總結...................................................................................................................................................... 6
參考文獻...................................................................................................................................................... 7
Figures
Figure 1. 手冊中關于發生fault時INT和狀態寄存器的描述.................................................................. 2
Figure 2. BQ25601在某可穿戴項目中配置........................................................................................... 2
Figure 3. 電池停充的相關波形 .............................................................................................................. 3
Figure 4. 模擬故障的實驗環境搭建........................................................................................................ 3
Figure 5a. Vbat=2.9V, 進入VINDPM同時正常進行預充電.................................................................... 4
Figure 5b. Vbat=3.1, 進入VINDPM同時正常進行預充電...................................................................... 4
Figure 6. Vbat=3V時Vbus跌落的展開圖............................................................................................ 5
Figure 7a. 原先的充電策略...................................................................................................................... 6
Figure 7b. 新的充電策略.......................................................................................................................... 6
BQ25601簡介
BQ25601是一款高效率的單電池降壓式充電管理芯片，其具有路徑管理功能，可以實現輸入和系統端以及電池側的充放電管理。該芯片可以支持到3A的充電電流，最小可以支持到60mA，被廣泛應用在手機，可穿戴等產品中。手冊中給出了典型的應用電路以及相應的設計案例，這里就不再贅述了。因為該芯片應用非常廣泛，所以本文主要針對實際應用過程中碰到的問題進行分析總結。
BQ25601錯誤中斷上報機制說明
在實際系統應用中，我們經常需用通過讀取芯片的狀態寄存器或是在硬件上檢查INT管腳的狀態來判斷芯片工作中是否有碰到異常，那么對于芯片的錯誤上報機制以及中斷發出機制的理解就很重要，有助于實際的調試。根據手冊中描述如下，當出現故障時，BQ25601會發出INT信號給到host, 并將對應的狀態寄存器REG09中的對應bit置位。INT信號會被拉低256us, 然后再恢復。
Fig 1 手冊中關于發生fault時INT和狀態寄存器的描述 (1)
而實際使用過程中，有時候會碰到同時出現多個錯誤，
a. 第一個錯誤出現時，INT信號被拉低，如果在拉低的過程中，又出現了第二個錯誤，此時INT信號不會繼續延展，只會看到一個256us的INT拉低的指示。
b. 第一個錯誤出現時，INT信號被拉低。在256us內第一個故障消失，而第二個故障出現。此時INT信號依然不會延展，還是只會看到一個256us INT拉低的指示。
所以實際使用過程中，如果只看到一個INT信號拉低的指示，并不代表實際只有一個fault出現，還是需要通過狀態寄存器去讀取實際出現的問題，INT信號只會在所有故障或是DPM狀態被清除后，才會再次起作用。 而對于狀態寄存器的讀取來說，手冊中有相關描述，需要注意的是，該寄存器是讀清，所以如果需要判斷當前芯片是否有故障存在，需要讀兩次REG09，第一次是用來清之前的fault, 第二次才能判斷當前是否有fault存在。
BQ25601弱充問題
在可穿戴等應用場景中，諸如智能手表等，充電是通過觸點等方式將充電座和充電接口相連。在實際中接口處經常會存在接觸不良或者有污漬的場景，這樣就會導致充電器端的實際輸出能力下降。于是客戶在產品中加入了該場景的模擬測試：將輸入電源的輸出限流點設定在一個較小的值，要求在該場景下電池還是能夠繼續充電，否則就會影響客戶的使用體驗。
這邊將輸入電源Vbus設置為5V/100mA ( 100mA為輸出限流點，相比于實際場景應該已經足夠小) 。受電設備設置預充電流為0.18A, 快充電流為0.78A。Fig2 是用TI的GUI軟件讀取的此時的充電芯片的配置。同時，充電芯片的系統側會消耗70mA左右的電流。
Fig2 BQ25601在某可穿戴項目中配置
(VINDPM=4.4V, Ipre-charge=60mA, Icharge=780mA, Isys=~70mA)
在實際測試中發現，當電池電壓較低時，會出現停充，即電池電壓始終無法持續充高。從波形上看，Vbus有較大跌落，導致芯片不工作，而系統端此時因為需要供電還不斷在消耗電流，所以電池電壓始終卡在某一點，而無法充電到更高電壓，這是不可接受的。正常來說，由于VINDPM的存在，即使后端負載過大，Vbus電流能力不足，那么Vbus電壓應該也會被鉗位在VINDPM而不會跌落到工作門限以下，導致充電芯片出現不工作的場景。
Fig3 電池停充的相關波形 （ Ch1=SW, Ch2=Ibat, Ch3=Vbus, Ch4=Vbat）
為了復現該問題，在EVM上進行模擬實驗，搭建實驗環境如下，輸入電源power supply #1還是設置為5V/100mA。實際電池采用模擬電池電源來替代，以便于監控電流。在系統端（sys）采用電子負載，設置恒流CC模式來模擬實際系統的電流消耗。將模擬電池的電壓從2.5V不斷往上調高，來模擬充電過程中不同的電池電壓情況，觀察在這個過程中，是否會存在停充的現象。
Fig4 模擬故障的實驗環境搭建 (2)
從測試可以看到當Vbat電壓在3V左右會出現如Fig2 中類似的情況，而在其他電壓的情況下，Vbus即使因為電流能力不足導致被拉下來，但還是能夠被鉗位在VINDPM的電壓值，而不會更低。從Fig5中可以看到當電池電壓在2.9V和3.2V時，輸入Vbus會被鉗位到VINDPM的值，即設定的4.4V，不會出現跌落的場景。
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Fig5a Vbat=2.9V, 進入VINDPM同時正常進行預充電 (Ch1=Vbus, Ch2=Vsys, Ch3=Vbat, Ch4=SW) | Fig5b Vbat=3.1V,進入VINDPM同時正常進行快充電 (Ch1=Vbus, Ch2=Vsys, Ch3=Vbat, Ch4=SW) |
從手冊中可以看到，3V左右是芯片從pre-charge到fast-charge的切換點，對Vbat=3.0V時波形展開，如Fig6,
Fig6 Vbat=3V時Vbus跌落的展開圖（Ch1=Vbus, Ch2=Vsys, Ch3=Vbat, Ch4=SW）
可以看到，充電電流從在70us內變化了有400多mA, 在b點VINDPM的環路開始響應，開始減少充電電流，但從c點可以看到，VINDPM的環路沒辦法將充電電流控住，從而Vbus發生跌落，跌落至工作門限以下。此時芯片停止工作，Vbus由于負載變輕，又恢復到正常電壓。但恢復到正常電壓后，又重新進入上電流程，芯片要重新進行poor source檢測，需要~30ms左右的時間，這個過程中系統端只能由電池來供電。從上面分析可以看到，其本質原因是在于VINDPM的響應時間比芯片從預充到快充的充電電流變化時間要慢，所以VINDPM在這種大負載切換時來不及起作用，導致Vbus電壓被拉下來，從而導致無法充電。而實際采用真實電池時，在中間進入supple mode的階段，電池因為在消耗能量所以電壓會被拉下來，等到再次恢復充電的時候，電池電壓比較低，所以還是在進行預充電階段，當切入快充階段時，又會進入到停充的狀態，所以導致電池電壓一直無法充到3V以上，進入正常的快充狀態。
那針對這個問題，因為VINDPM的響應時間是跟它環路本身的響應有關，這個是沒辦法修改的，那么我們可以從系統層面去解決這個問題。可以將充電電流的抬升從直接抬升，改為階梯式的抬升，讓每次的電流跳變幅度沒有那么大，這樣可以使得輸入電壓在這樣小的跳變下不會被拉低到工作電壓點以下。同時應該本身是穿戴類的應用，其電池容量也比較小，所以這種臺階式的充電電流抬升對整體的充電時間影響也基本可以忽略。
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Fig7a 原先的充電策略 | Fig7b 新的充電策略 |
結合電容的電壓電流特性Cdu/dt=I，可以得到公式(1)如下
| 公式（1）
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其中，Cin是輸入電容, 最極限的情況就是所有能量都由Cin提供，輸入電源本身還來不及響應;
Vbus是輸入電源電壓，Vbusfalling是芯片工作電壓點，在手冊中可以看到為3.9V( typical), 這邊要確保輸入電壓不會跌落到欠壓門限以下，所以從正常工作的Vbus到欠壓點之間的壓差就是(Vbus-Vbusfalling)，也即之前電容特性公式中的du;
TVINDPM是VINDPM的對應的響應時間，從前面的測試波形可以得到。在這段時間內，VINDPM來不及響應，那么電容上的電壓就可能會跌落到VINDPM設定門限以下；
（Ich1-Ich2）為充電電流跳變步進，Vbat為此時電池電壓，?為充電效率，可以通過手冊效率曲線得到。假設系統端電流是穩定的，通過“充電電流*電池電壓/充電效率” 就可以得到充電芯片輸入端電流變化，也就是此時輸入電容上被抽走的電流，它會導致電壓跌落。
用這個公式可以大致算出，要使得Vbus電壓不要跌落到欠壓點以下時，充電電流最大的變化值，也就是臺階式去抬升電流的最大的臺階。
這邊取Cin=10uf, Vbus=5V, Vbat=3V, tindpm= ~100us, 效率就按~80%，得到充電電流的每一個臺階是~0.15A。在TVINDPM時間后按照這個臺階去抬升充電電流，即可以保證輸入電壓始終處于工作狀態內。
結論
本文針對BQ25601的錯誤上報機制進行了說明，在多個錯誤同時發生的情況下依然只會有一個INT信號，需要去進行二次讀取狀態寄存器來判斷當前狀態。同時，本文對實際在可穿戴應用中碰到的弱充問題進行了分析，原因在于輸入DPM的調節速度要慢于充電電流的調節速度，導致輸入電壓被拉低。給出了階梯式充電的解決方案，通過系統端來避免出現停充的問題。
參考文獻
[1] BQ25601 Datasheet, SLUSCK5, Texas Instruments.
[2] BQ25601 EVM guide, SLUUBL4, Texas Instruments.
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