近年來，隨著智能手機、平板電腦等消費電子終端對電池電量需求的不斷增長，消費者對電子產(chǎn)品充電速度、充電體驗的需求也在不斷提高。針對大容量鋰電池的高效率、高功率充電應用，TI推出了以BQ25980為代表的開關(guān)電容架構(gòu)快速充電芯片，可以實現(xiàn)高達98.6%效率的快速充電方案，為消費者帶來快速穩(wěn)定、高效易用的充電體驗。
在BQ25980的實際應用中，如圖一所示，通常需要搭配使用傳統(tǒng)的電感型充電芯片（如BQ2579x系列），組成主、副配合的快速充電系統(tǒng)。其中，作為主充電芯片的BQ2579x負責完成充電協(xié)議的基本檢測、電池的預充電、涓流充電與截止充電等階段，并結(jié)合電源路徑管理功能為系統(tǒng)負載提供穩(wěn)定的供電；而作為副充芯片的BQ25980負責在電池的恒流充電、恒壓充電等階段實現(xiàn)高效率、大功率的快速充電。
圖1. BQ25980的典型應用方案
為了實現(xiàn)對快充系統(tǒng)和芯片運行的狀態(tài)監(jiān)測與可靠保護，BQ25980芯片中集成有高達16位的模數(shù)轉(zhuǎn)換（ADC）電路，可以用來實時讀取充電芯片的工作電壓、電流、芯片結(jié)溫及電芯溫度等重要參數(shù)。其中，關(guān)于工作電流的采樣測量，由于采樣電路原理的不同，BQ25980針對充電輸出電流（IBAT）的測量精度與母線輸入電流（IBUS）的測量精度存在一定的差異；具體的如下表所示：
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Parameter
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Test Condition
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Min
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Max
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IBUS_ADC
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ADC Measurement Accuracy
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3A
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-6%
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6%
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IBUS_ADC
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ADC Measurement Accuracy
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4A
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-6%
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6%
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IBAT_ADC
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ADC Measurement Accuracy
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6A
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-2%
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2%
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IBAT_ADC
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ADC Measurement Accuracy
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8A
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-2%
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2%
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可見，就BQ25980的電流檢測功能而言，IBAT_ADC比IBUS_ADC具有更高的采樣測量精度。進一步地，考慮到在實際的充電系統(tǒng)中，針對電池充電電流的精確測量與監(jiān)控保護通常由高性能的電量計芯片（如BQ28Z610）來負責，不需要依靠充電芯片的IBAT_ADC來實現(xiàn)；因此，在特定的應用中，我們可以巧妙地利用IBAT_ADC及其采樣電路的相關(guān)資源來進行BQ25980的母線輸入電流IBUS的采樣與測量，從而顯著地提高BQ25980輸入電流的檢測精度；同時，由于開關(guān)電容拓撲穩(wěn)定工作時，輸入端的電流僅為輸出端的一半左右，將電流采樣電阻轉(zhuǎn)移到輸入端還可以在一定程度上降低電阻的熱損耗。具體的應用方法如圖2所示。
圖2. 高精度的BQ25980輸入電流檢測方案
如圖，為了使用IBAT的采樣電路（低邊采樣）測量BQ25980的母線輸入電流，需要將高精度的電流采樣電阻Rsense 串聯(lián)（2mΩ或5mΩ）至BQ25980的輸入端低邊側(cè)，并將Rsense電阻兩端分別連接至芯片的SRP和SRN引腳（分別為電流傳感采樣的正負輸入引腳）。其中，采樣電阻Rsense選用2mΩ時，使用IBAT_ADC讀取電流的分辨率可以達LSB=1mA。
完成硬件連接后，可通過I2C指令讀寫B(tài)Q25980的寄存器；正確配置和使能芯片的ADC功能后，即可通過讀取0x31h寄存器獲得IBAT_ADC的取值，得到BQ25980的母線輸入電流。
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IBUS_ADC (0x25h)
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Bit
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Field
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Type
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Reset
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Description
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15~0
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IBUS_ADC_15:0
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R
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0h
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IBUS ADC reading
Range: 0mA-9000mA
Fixed Offset: 0mA
Bit Step Size: 1.07mA
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IBAT_ADC0 (0x31h)
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Bit
|
Field
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Type
|
Reset
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Description
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15~0
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BAT_ADC_15:0
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R
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0h
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IBAT ADC reading
Range: 0mA-12000mA
Fixed Offset: 0mA
Bit Step Size: 1mA
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進一步地，可以基于BQ25980的EVM板對該電流檢測方法進行驗證實驗。具體的測試方案如圖3所示。
圖3. BQ25980輸入電流檢測方案驗證實驗
基于BQ25980的EVM板，將電流采樣電阻及其傳感電路置換至輸入側(cè)；使用直流程控電源作為輸入電源，并在輸入回路中串聯(lián)高精度的萬用表測量輸入電流。通過EV2400接口板將BQ25980的EVM板連接至電腦，進而使用上位機軟件bqStudio實現(xiàn)對BQ25980的寄存器讀寫與監(jiān)控。
系統(tǒng)上電后，參考文檔“BQ25980EVM (BMS040) Evaluation Module User Guide”的說明將BQ25980配置為開關(guān)電容型充電模式后，逐漸調(diào)整程控電源的直流電壓，觀察記錄萬用表上測量得到的輸入電流讀數(shù)；同時，使能BQ25980的ADC功能，觀察0x25h寄存器（IBUS_ADC）和0x31h寄存器（IBAT_ADC）的取值及其對應電流值讀數(shù)的變化；實驗重復共計三次，取平均值并整理記錄如下表所示。其中，I_IN為萬用表測得的電流讀數(shù)，I_Read1為IBUS_ADC測得的電流讀數(shù)，I_Read2為IBAT_ADC測得的電流讀數(shù)；Error1和Error2分別為I_Read1和I_Read2偏離I_IN值的相對誤差。
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I_IN (A)
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I_Read1 (A)
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Error1 (%)
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I_Read2 (A)
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Error2 (%)
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0.508
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0.514
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1.18
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0.512
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0.79
|
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0.754
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0.769
|
1.99
|
0.763
|
1.19
|
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1.003
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1.024
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2.09
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1.016
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1.30
|
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1.254
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1.281
|
2.15
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1.269
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1.20
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1.501
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1.534
|
2.20
|
1.522
|
1.40
|
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1.749
|
1.791
|
2.40
|
1.775
|
1.49
|
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2.008
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2.058
|
2.49
|
2.028
|
1.00
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2.250
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2.307
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2.53
|
2.281
|
1.38
|
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2.500
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2.566
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2.64
|
2.534
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1.36
|
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2.750
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2.825
|
2.73
|
2.786
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1.31
|
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3.002
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3.086
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2.80
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3.038
|
1.20
|
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3.249
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3.343
|
2.89
|
3.288
|
1.20
|
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3.504
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3.606
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2.91
|
3.539
|
1.00
|
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3.750
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3.864
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3.04
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3.789
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1.04
|
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4.007
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4.132
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3.12
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4.039
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0.80
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可見，盡管使用IBUS_ADC和IBAT_ADC均能夠?qū)崿F(xiàn)對BQ25980輸入電流的采集與測量，但兩種方法的測量精度存在一定程度的差異。下圖提供了兩種方法測量誤差的進一步對比。
圖4. BQ25980輸入電流檢測誤差對比圖
觀察上圖可以看出，針對BQ25980的輸入電流檢測，在0.5A~4A的測試范圍內(nèi)，本文提出的IBAT_ADC檢測方法的誤差表現(xiàn)優(yōu)于IBUS_ADC測量方法。具體的，就本實驗而言，采用IBAT_ADC方法的測量誤差可以基本控制在1.5%以內(nèi)；而采用IBUS_ADC直接測量輸入電流的誤差僅能控制在3.5%以內(nèi)。
綜上所述，本文提出的基于IBAT_ADC的BQ25980輸入電流的檢測方法可以顯著改善芯片輸入電流的檢測精度，為系統(tǒng)設計和實際應用提供方便。 |
