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為代表的開關電容架構快速充電芯片，可以實現高達98.6%效率的快速充電方案，為消費者帶來快速穩定、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。其中，作為主充電芯片的BQ2579x負責完成充電協議的基本檢測、電池的預充電、涓流充電與截止充電等階段，并結合電源路徑管理功能為系統負載提供穩定的供電；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
為了實現對快充系統和芯片運行的狀態監測與可靠保護，BQ25980芯片中集成有高達16位的模數轉換（ADC）電路，可以用來實時讀取充電芯片的工作電壓、電流、芯片結溫及電芯溫度等重要參數。其中，關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%
|
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中，針對電池充電電流的精確測量與監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；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，由于開關電容拓撲穩定工作時，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（2mΩ或5mΩ）至BQ25980的輸入端低邊側，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BQ25980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
|
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；使用直流程控電源作為輸入電源，并在輸入回路中串聯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實現對BQ25980的寄存器讀寫與監控。
系統上電后，參考文檔“BQ25980EVM (BMS040) Evaluation Module User Guide”的說明將BQ25980配置為開關電容型充電模式后，逐漸調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；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，I_Read1為IBUS_ADC測得的電流讀數，I_Read2為IBAT_ADC測得的電流讀數；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
|
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
|
2.09
|
1.016
|
1.30
|
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1.254
|
1.281
|
2.15
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1.269
|
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
|
2.058
|
2.49
|
2.028
|
1.00
|
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2.250
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2.307
|
2.53
|
2.281
|
1.38
|
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2.500
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2.566
|
2.64
|
2.534
|
1.36
|
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2.750
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2.825
|
2.73
|
2.786
|
1.31
|
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3.002
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3.086
|
2.80
|
3.038
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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
|
2.91
|
3.539
|
1.00
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3.750
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3.864
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3.04
|
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均能夠實現對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，本文提出的IBAT_ADC檢測方法的誤差表現優于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；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。
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，為系統設計和實際應用提供方便。 |
