Blog về công ty TI BQ24250 Bộ sạc pin Li-ion pin đơn tế bào tích hợp cao với quản lý đường dẫn điện

Shenzhen Mingjiada Electronics Co., Ltd. cung cấp TI BQ24250, một bộ sạc pin lithium-ion đơn cell tích hợp cao với chức năng quản lý đường dẫn nguồn.

BQ24250 là bộ sạc chế độ chuyển mạch lithium-ion/lithium-polymer đơn cell tích hợp cao do Texas Instruments (TI) ra mắt, được thiết kế đặc biệt cho các thiết bị điện tử di động, thu nhỏ. Chip tích hợp kiến trúc sạc buck đồng bộ, hệ thống quản lý đường dẫn nguồn thông minh, điều khiển sạc đa giai đoạn và bộ mạch bảo vệ an toàn toàn diện. Nó cho phép sạc pin lithium đơn cell an toàn và hiệu quả, đồng thời chuyển đổi nguồn điện hệ thống mà không cần các mạch ngoại vi phức tạp bổ sung. Nó hoàn toàn phù hợp với các thiết bị di động có không gian hạn chế và yêu cầu cao về độ ổn định nguồn điện, làm cho nó trở thành giải pháp quản lý sạc chính cho các sản phẩm điện tử tiêu dùng di động.

I. Định vị cốt lõi và ưu điểm cơ bản của BQ24250
BQ24250 là một phần của dòng IC quản lý sạc chuyên dụng BQ2425x. Với thiết kế nguồn cấp một đầu vào, nó tương thích với nhiều đầu vào nguồn tiêu chuẩn, bao gồm cổng USB và bộ chuyển đổi nguồn AC, đồng thời hỗ trợ dòng sạc tối đa 2A, cân bằng hiệu quả sạc với kiểm soát tiêu thụ điện năng. So với các giải pháp sạc rời rạc truyền thống, ưu điểm chính của chip nằm ở mức độ tích hợp cao và kiến trúc quản lý đường dẫn nguồn độc lập, giải quyết hoàn toàn điểm khó khăn của bộ sạc truyền thống là 'pin ưu tiên tải hệ thống'. Đồng thời, nó đơn giản hóa bố cục PCB, giảm chi phí phát triển phần cứng và giảm tiêu thụ điện năng của thiết bị hoàn chỉnh.

BQ24250 hoạt động ở tần số chuyển mạch cố định 1.5 MHz và có thể kết hợp với cuộn cảm siêu mỏng 1.2 mm, đáp ứng yêu cầu thiết kế cấu trúc của các thiết bị di động mỏng và nhẹ. Nó hỗ trợ giao diện giao tiếp I²C độc lập, cho phép cấu hình có thể lập trình các tham số sạc và báo cáo trạng thái hoạt động theo thời gian thực, do đó đáp ứng yêu cầu quản lý năng lượng chính xác của các thiết bị thông minh. Nó cũng hỗ trợ chế độ hoạt động độc lập, cho phép hoạt động cơ bản mà không cần bộ điều khiển chủ, làm cho nó phù hợp với nhiều ứng dụng thiết bị đơn giản và thông minh.

II. Chức năng phần cứng chính và thông số cốt lõi của BQ24250

2.1 Cấu hình phạm vi dòng điện đầu vào linh hoạt
BQ24250 hỗ trợ chuyển đổi giữa nhiều phạm vi giới hạn dòng điện đầu vào. Thông qua cấu hình phần cứng hoặc lập trình I²C, nó có thể được đặt thành 100mA, 500mA, 900mA, 1.5A và 2A. Nó hoàn toàn tương thích với các đầu vào nguồn có dung lượng khác nhau, chẳng hạn như USB 2.0, USB 3.0 và bộ chuyển đổi tiêu chuẩn, đồng thời tự động thích ứng với đầu ra của nguồn điện để ngăn chặn quá tải đầu vào và mất ổn định nguồn cấp. Nó cũng hỗ trợ bộ chuyển đổi công suất thấp, do đó giảm chi phí phụ kiện thiết bị.

2.2 Kiến trúc sạc buck đồng bộ hiệu suất cao
Chip sử dụng cấu trúc liên kết sạc buck chuyển mạch đồng bộ. So với các giải pháp sạc tuyến tính, điều này làm giảm đáng kể tản nhiệt trong quá trình sạc và cải thiện đáng kể hiệu quả chuyển đổi khi chuyển đổi đầu vào điện áp cao sang sạc điện áp thấp. Điều này làm giảm thiểu sự gia tăng nhiệt độ của thiết bị và nâng cao độ ổn định tổng thể của hệ thống. Điện áp sạc tuân thủ chính xác tiêu chuẩn cho pin lithium-ion đơn cell, với độ chính xác điều chỉnh điện áp cao, ngăn chặn hiệu quả sạc quá mức và sạc thiếu trong khi đảm bảo tuổi thọ chu kỳ của pin.

2.3 Hoạt động tiêu thụ điện năng cực thấp
Chip tích hợp chế độ ngủ công suất thấp; khi thiết bị không sạc hoặc không tải, nó sẽ tự động chuyển sang trạng thái chờ công suất thấp. Với mức tiêu thụ điện năng tĩnh cực thấp, nó làm giảm hiệu quả hiện tượng tự xả pin trong thời gian không hoạt động, do đó kéo dài tuổi thọ pin chờ của thiết bị. Điều này làm cho nó phù hợp với các thiết bị công suất thấp, thời gian chờ dài như thiết bị đeo được và thiết bị kiểm tra di động.

III. Chức năng cốt lõi của BQ24250: Quản lý đường dẫn nguồn thông minh (Kiến trúc NVDC)
Quản lý đường dẫn nguồn là tính năng đặc trưng nhất của BQ24250. Sử dụng kiến trúc Narrow Voltage DC Control (NVDC) và tích hợp mạch Dynamic Power Path Management (DPPM), nó thông minh chuyển đổi các đường dẫn nguồn để đạt được phân bổ năng lượng động giữa nguồn cấp đầu vào, pin và tải hệ thống, do đó tối ưu hóa hoàn toàn logic nguồn của các thiết bị di động.

3.1 Chức năng bật nguồn tức thì trong điều kiện không có pin hoặc pin hết sâu
Các chip sạc truyền thống không thể cung cấp nguồn cho tải hệ thống khi pin hết sâu hoặc vắng mặt, ngăn thiết bị khởi động. Ngược lại, kiến trúc đường dẫn nguồn của BQ24250 cho phép khởi động tức thì ngay cả khi không có pin hoặc khi pin hết sâu. Khi kết nối với nguồn điện bên ngoài, nguồn điện đầu vào sẽ cung cấp trực tiếp cho tải hệ thống mà không cần pin, giúp tăng đáng kể tính linh hoạt hoạt động của thiết bị và làm cho nó phù hợp với các tình huống như gỡ lỗi thiết bị, sử dụng khẩn cấp và thay pin.

3.2 Phân bổ năng lượng động và sạc lại pin
Chip tích hợp các mạch giám sát dòng điện và điện áp thời gian thực, liên tục giám sát dung lượng đầu ra của nguồn cấp đầu vào và mức tiêu thụ điện của tải hệ thống. Khi tải đỉnh tức thời vượt quá dung lượng cung cấp của nguồn cấp đầu vào, hệ thống quản lý đường dẫn nguồn sẽ tự động kích hoạt chế độ sạc lại pin, trong đó pin hoạt động cùng với nguồn cấp đầu vào để cấp nguồn cho hệ thống. Điều này đảm bảo hoạt động ổn định của thiết bị ở tải đầy đủ và ngăn ngừa các sự cố như khởi động lại thiết bị hoặc treo máy do đỉnh tiêu thụ điện tức thời gây ra.

Ngược lại, khi nguồn cấp đầu vào đủ, hệ thống ưu tiên cấp nguồn từ nguồn bên ngoài, với bất kỳ nguồn điện dư thừa nào được sử dụng hoàn toàn để sạc pin. Điều này cho phép cấp nguồn và sạc đồng thời, tối đa hóa việc sử dụng nguồn điện đầu vào và nâng cao hiệu quả cả sạc và cấp nguồn. Đồng thời, cơ chế này cho phép thiết bị được kết hợp với bộ chuyển đổi có công suất thấp hơn, giảm kích thước tổng thể và chi phí của các thành phần thiết bị.

3.3 Bảo vệ ổn định điện áp hệ thống
Chip giám sát điện áp đầu ra hệ thống (chân SYS) theo thời gian thực. Nếu có sự thay đổi đột ngột về tải khiến điện áp hệ thống giảm xuống ngưỡng tối thiểu (VMINSYS), mạch DPPM sẽ tự động giảm dòng sạc để ưu tiên cấp nguồn cho hệ thống, ổn định điện áp hoạt động và ngăn ngừa biến động điện áp ảnh hưởng đến hoạt động của các thành phần chính xác như bộ điều khiển chính và cảm biến của thiết bị, do đó nâng cao đáng kể độ ổn định hoạt động.

IV. Quy trình sạc pin lithium-ion tiêu chuẩn bốn giai đoạn của BQ24250
BQ24250 tuân thủ nghiêm ngặt logic sạc tiêu chuẩn cho pin lithium-ion đơn cell, bao gồm bốn giai đoạn: sạc nhỏ giọt, sạc trước, sạc nhanh dòng không đổi và kết thúc điện áp không đổi. Với điều khiển thông minh trong toàn bộ quy trình, nó đáp ứng pin ở các trạng thái khác nhau - bao gồm pin mới, pin hết sâu và pin cũ - cân bằng giữa tốc độ sạc và an toàn pin.

4.1 Giai đoạn sạc nhỏ giọt
Đối với pin có điện áp cực thấp hoặc pin đã hết sâu, chip sẽ khởi tạo sạc nhỏ giọt dòng điện thấp để dần dần kích hoạt lại các tế bào pin và phục hồi vật liệu hoạt tính trong pin đã xả. Điều này ngăn ngừa các sự cố như quá nhiệt, phồng và hư hỏng do sạc dòng điện cao trực tiếp, do đó tạo nền tảng an toàn cho sạc nhanh tiếp theo.

4.2 Giai đoạn sạc trước
Sau khi điện áp pin phục hồi về ngưỡng, giai đoạn sạc trước sẽ bắt đầu. Dòng sạc được tăng dần để ổn định điện áp và điện trở trong của pin, loại bỏ biến động điện áp tế bào, ngăn ngừa dòng điện bất thường trong giai đoạn sạc nhanh dòng không đổi và đảm bảo quá trình chuyển đổi diễn ra suôn sẻ trong toàn bộ quy trình sạc.

4.3 Giai đoạn sạc nhanh dòng không đổi
Sau khi điện áp pin đạt đến phạm vi bình thường, hệ thống sẽ chuyển sang giai đoạn sạc dòng không đổi với dòng điện cao. Năng lượng được cung cấp liên tục ở dòng sạc tối đa đã đặt để tăng nhanh mức sạc của pin, giảm đáng kể tổng thời gian sạc và đáp ứng yêu cầu sạc nhanh của pin lithium-ion dung lượng cao.

4.4 Giai đoạn kết thúc điện áp không đổi
Khi điện áp pin gần đạt đến ngưỡng sạc đầy, hệ thống sẽ chuyển sang chế độ sạc điện áp không đổi. Dòng sạc giảm dần khi pin đạt đến trạng thái bão hòa; khi dòng điện giảm xuống ngưỡng kết thúc, quá trình sạc sẽ tự động dừng, loại bỏ hoàn toàn nguy cơ sạc quá mức, hoàn thành chính xác vòng lặp sạc và bảo vệ tuổi thọ chu kỳ của pin.

V. Cơ chế bảo vệ an toàn toàn diện của BQ24250
BQ24250 tích hợp bộ mạch bảo vệ an toàn cấp phần cứng hoàn chỉnh, loại bỏ nhu cầu về các thành phần bảo vệ phụ trợ bên ngoài. Nó giảm thiểu toàn diện các rủi ro khác nhau trong quá trình sạc và cấp nguồn, nâng cao độ an toàn cho cả thiết bị và pin, đồng thời đáp ứng các tiêu chuẩn chứng nhận an toàn cho thiết bị di động. Các chức năng bảo vệ chính bao gồm:

- Bảo vệ quá áp: Bảo vệ ba lần chống quá áp đầu vào, quá áp pin và quá áp đầu ra hệ thống; mạch cấp nguồn và sạc sẽ bị ngắt kết nối ngay lập tức nếu vượt quá giới hạn;
- Bảo vệ quá dòng: Giới hạn dòng điện đầu vào, bảo vệ quá dòng sạc và quá dòng ngắn mạch tải để ngăn ngừa dòng điện bất thường làm hỏng chip và các thành phần ngoại vi;
- Bảo vệ quá nhiệt: Giám sát nhiệt độ tích hợp tự động giảm công suất hoặc dừng sạc khi nhiệt độ mối nối chip vượt quá giới hạn, và tự động tiếp tục hoạt động sau khi nhiệt độ giảm;
- Bảo vệ ngắn mạch: Bảo vệ ngắt nguồn tức thời chống ngắn mạch trong tải hệ thống hoặc cổng pin, loại bỏ nguy cơ cháy nổ hoặc hư hỏng linh kiện do ngắn mạch;
- Bảo vệ quá thời gian sạc: Các cơ chế phát hiện quá thời gian được áp dụng cho mỗi giai đoạn sạc để ngăn ngừa sạc quá mức kéo dài hoặc 'sạc ảo' do pin bị kẹt ở trạng thái bất thường.

VI. Các kịch bản ứng dụng chính cho BQ24250
Nhờ các ưu điểm cốt lõi về tích hợp cao, kích thước nhỏ gọn, độ ổn định cao và quản lý năng lượng thông minh, BQ24250 được sử dụng rộng rãi trong nhiều sản phẩm điện tử mỏng và di động sử dụng pin lithium đơn cell. Các ứng dụng điển hình bao gồm: thiết bị đeo thông minh (vòng theo dõi sức khỏe, đồng hồ thông minh), thiết bị kiểm tra di động, hộp sạc tai nghe Bluetooth không dây, thiết bị nhà thông minh nhỏ, thiết bị điện tử tiêu dùng cầm tay và thiết bị y tế di động. Đây là chip được lựa chọn để quản lý sạc trong các thiết bị di động nhỏ gọn, có độ ổn định cao.

VII. Tóm tắt về BQ24250
Là một IC quản lý sạc pin lithium-ion đơn cell hiệu suất cao, BQ24250 của TI có tính năng quản lý đường dẫn nguồn thông minh NVDC làm điểm nổi bật chính, giải quyết các điểm khó khăn của ngành liên quan đến các giải pháp sạc truyền thống, chẳng hạn như xung đột giữa cấp nguồn và sạc, độ ổn định tải kém và không thể bật nguồn khi không có pin. Hơn nữa, tận dụng các ưu điểm như thiết kế phần cứng tích hợp cao, logic sạc chính xác bốn giai đoạn, bảo vệ an toàn toàn diện và cấu hình tham số có thể lập trình, nó cân bằng giữa sự dễ dàng phát triển, độ ổn định thiết bị và tuổi thọ pin. Nó hoàn toàn phù hợp với các yêu cầu cấp nguồn và sạc của nhiều thiết bị điện tử di động thông minh, nhẹ, mang lại giá trị vượt trội cho các ứng dụng kỹ thuật.