德州儀器bq5105xB：高效無線充電解決方案

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

文件下載：BQ51052BYFPT.pdf

一、產品特性

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，實現了單級無線功率接收和鋰離子/鋰聚合物電池充電功能。這種高度集成的設計不僅節(jié)省了電路板空間，還降低了系統(tǒng)成本。

2. 輸出電壓選項豐富

提供4.20-V、4.35-V和4.40-V三種輸出電壓選項，可滿足不同類型電池的充電需求。同時，支持高達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. 強大的保護功能

具備20-V最大輸入電壓容限和輸入過壓保護，能夠有效防止過壓對設備造成損壞。此外，還提供熱關斷、過流保護、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

與WPC v1.2 Qi行業(yè)標準兼容，可與符合該標準的發(fā)射器配合使用，實現無線充電功能。

6. 封裝形式多樣

提供小尺寸的DSGBA和VQFN封裝，方便工程師根據不同的應用需求進行選擇。

二、應用領域

bq5105xB適用于多種便攜式設備，如電池組、手機、智能手機、耳機、便攜式媒體播放器等。其高效、可靠的充電性能，能夠為這些設備提供穩(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）和次級設備組成。充電板和次級設備中的線圈通過變壓器作用實現磁耦合，當設備放置在充電板上時，功率從初級傳輸到次級。通過改變初級驅動的頻率，可以控制傳輸的功率量。

2. 通信機制

次級設備通過改變初級看到的負載來與初級通信。負載變化導致初級線圈電流的變化，充電板中的處理器對其進行測量和解釋。通信采用數字方式，數據包從次級傳輸到初級，使用差分雙相編碼，速率為2-kbps。

3. 充電過程

當設備放置在充電板上時，接收器線圈感應到充電板線圈產生的磁通量，從而在接收器線圈中感應出電壓。內部同步整流器將該電壓饋送到RECT引腳，經過濾波后為電池充電。bq5105x通過測量RECT引腳的電壓，計算實際電壓與期望電壓VRECT - REG之間的差值，并向初級發(fā)送誤差數據包，直到RECT電壓穩(wěn)定在VRECT - REG。

四、電池充電過程

1. 預充電模式

當電池電壓 (V{BAT} ≤ V{LOWV}) 時，bq5105x進入預充電模式。在此模式下，電池充電電流限制設置為IPRECHG，充電電流調節(jié)為快速充電電流（IBULK）設置的 (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 (V{BAT} > V{LOWV}) 時，bq5105x進入快速充電模式（電流調節(jié)階段），通過內部MOSFET調節(jié)充電電流。當電池電壓充電到 (V{BAT-REG}) 時，進入恒壓（CV）階段，調節(jié)電池電壓到 (V{OREG}) ，并降低充電電流。當 (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，并進入高阻抗模式。

3. 電池充電電流設置計算

• (R_{ILIM}) 計算：(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。
• 終止計算：終止閾值通過公式 (R{TERM } = K{TERM } * % I{BULK }) 計算，其中 (K{TERM}) 常數在電氣特性中規(guī)定為240 Ω/%，終止閾值設置為充電電流設置（IBULK）的百分比。

五、設計要點

1. 電容選擇

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

2. 充電和終止電流設置

根據設計要求，選擇合適的 (R{1}) 和 (R{FOD}) 來設置充電電流 (I{BULK}) ，并通過 (R{TERM}) 設置終止電流。

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. 布局設計

• 保持AC1、AC2和BAT的走線電阻盡可能低。
• 檢測和諧振電容應盡可能靠近設備。
• COMM、CLAMP和BOOT電容應放置在靠近設備的位置。
• PGND網絡的過孔互連對于信號完整性和熱性能至關重要。
• 高頻旁路電容應靠近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

bq5105xB系列產品以其高集成度、高效充電、強大的保護功能和廣泛的兼容性，為無線充電應用提供了優(yōu)秀的解決方案。電子工程師在設計過程中，需要根據具體應用需求，合理選擇電容、設置充電和終止電流，并注意布局設計，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現無線充電系統(tǒng)的設計和優(yōu)化。

你在實際應用中是否遇到過類似產品的設計挑戰(zhàn)？你對無線充電技術的未來發(fā)展有什么看法？歡迎在評論區(qū)分享你的經驗和想法。