作者：Paul Li
近年来，随着智能手机、平板电脑等消费电子终端对电池电量需求的不断增长，消费者对电子产品充电速度、充电体验的需求也在不断提高。针对大容量锂电池的高效率、高功率充电应用，TI推出了以BQ25980为代表的开关电容架构快速充电芯片，可以实现高达98.6%效率的快速充电方案，为消费者带来快速稳定、高效易用的充电体验。
在BQ25980的实际应用中，如图一所示，通常需要搭配使用传统的电感型充电芯片（如BQ2579x系列），组成主、副配合的快速充电系统。其中，作为主充电芯片的BQ2579x负责完成充电协议的基本检测、电池的预充电、涓流充电与截止充电等阶段，并结合电源路径管理功能为系统负载提供稳定的供电；而作为副充芯片的BQ25980负责在电池的恒流充电、恒压充电等阶段实现高效率、大功率的快速充电。
图1. BQ25980的典型应用方案
为了实现对快充系统和芯片运行的状态监测与可靠保护，BQ25980芯片中集成有高达16位的模数转换（ADC）电路，可以用来实时读取充电芯片的工作电压、电流、芯片结温及电芯温度等重要参数。其中，关于工作电流的采样测量，由于采样电路原理的不同，BQ25980针对充电输出电流（IBAT）的测量精度与母线输入电流（IBUS）的测量精度存在一定的差异；具体的如下表所示：
|
Parameter |
Test Condition |
Min |
Max |
|
|
IBUS_ADC |
ADC Measurement Accuracy |
3A |
-6% |
6% |
|
IBUS_ADC |
ADC Measurement Accuracy |
4A |
-6% |
6% |
|
IBAT_ADC |
ADC Measurement Accuracy |
6A |
-2% |
2% |
|
IBAT_ADC |
ADC Measurement Accuracy |
8A |
-2% |
2% |
可见，就BQ25980的电流检测功能而言，IBAT_ADC比IBUS_ADC具有更高的采样测量精度。进一步地，考虑到在实际的充电系统中，针对电池充电电流的精确测量与监控保护通常由高性能的电量计芯片（如BQ28Z610）来负责，不需要依靠充电芯片的IBAT_ADC来实现；因此，在特定的应用中，我们可以巧妙地利用IBAT_ADC及其采样电路的相关资源来进行BQ25980的母线输入电流IBUS的采样与测量，从而显著地提高BQ25980输入电流的检测精度；同时，由于开关电容拓扑稳定工作时，输入端的电流仅为输出端的一半左右，将电流采样电阻转移到输入端还可以在一定程度上降低电阻的热损耗。具体的应用方法如图2所示。
图2. 高精度的BQ25980输入电流检测方案
如图，为了使用IBAT的采样电路（低边采样）测量BQ25980的母线输入电流，需要将高精度的电流采样电阻Rsense 串联（2mΩ或5mΩ）至BQ25980的输入端低边侧，并将Rsense电阻两端分别连接至芯片的SRP和SRN引脚（分别为电流传感采样的正负输入引脚）。其中，采样电阻Rsense选用2mΩ时，使用IBAT_ADC读取电流的分辨率可以达LSB=1mA。
完成硬件连接后，可通过I2C指令读写BQ25980的寄存器；正确配置和使能芯片的ADC功能后，即可通过读取0x31h寄存器获得IBAT_ADC的取值，得到BQ25980的母线输入电流。
|
IBUS_ADC (0x25h) |
||||
|
Bit |
Field |
Type |
Reset |
Description |
|
15~0 |
IBUS_ADC_15:0 |
R |
0h |
IBUS ADC reading Range: 0mA-9000mA Fixed Offset: 0mA Bit Step Size: 1.07mA |
|
IBAT_ADC0 (0x31h) |
||||
|
Bit |
Field |
Type |
Reset |
Description |
|
15~0 |
BAT_ADC_15:0 |
R |
0h |
IBAT ADC reading Range: 0mA-12000mA Fixed Offset: 0mA Bit Step Size: 1mA |
进一步地，可以基于BQ25980的EVM板对该电流检测方法进行验证实验。具体的测试方案如图3所示。
图3. BQ25980输入电流检测方案验证实验
基于BQ25980的EVM板，将电流采样电阻及其传感电路置换至输入侧；使用直流程控电源作为输入电源，并在输入回路中串联高精度的万用表测量输入电流。通过EV2400接口板将BQ25980的EVM板连接至电脑，进而使用上位机软件bqStudio实现对BQ25980的寄存器读写与监控。
系统上电后，参考文档“BQ25980EVM (BMS040) Evaluation Module User Guide”的说明将BQ25980配置为开关电容型充电模式后，逐渐调整程控电源的直流电压，观察记录万用表上测量得到的输入电流读数；同时，使能BQ25980的ADC功能，观察0x25h寄存器（IBUS_ADC）和0x31h寄存器（IBAT_ADC）的取值及其对应电流值读数的变化；实验重复共计三次，取平均值并整理记录如下表所示。其中，I_IN为万用表测得的电流读数，I_Read1为IBUS_ADC测得的电流读数，I_Read2为IBAT_ADC测得的电流读数；Error1和Error2分别为I_Read1和I_Read2偏离I_IN值的相对误差。
|
I_IN (A) |
I_Read1 (A) |
Error1 (%) |
I_Read2 (A) |
Error2 (%) |
|
0.508 |
0.514 |
1.18 |
0.512 |
0.79 |
|
0.754 |
0.769 |
1.99 |
0.763 |
1.19 |
|
1.003 |
1.024 |
2.09 |
1.016 |
1.30 |
|
1.254 |
1.281 |
2.15 |
1.269 |
1.20 |
|
1.501 |
1.534 |
2.20 |
1.522 |
1.40 |
|
1.749 |
1.791 |
2.40 |
1.775 |
1.49 |
|
2.008 |
2.058 |
2.49 |
2.028 |
1.00 |
|
2.250 |
2.307 |
2.53 |
2.281 |
1.38 |
|
2.500 |
2.566 |
2.64 |
2.534 |
1.36 |
|
2.750 |
2.825 |
2.73 |
2.786 |
1.31 |
|
3.002 |
3.086 |
2.80 |
3.038 |
1.20 |
|
3.249 |
3.343 |
2.89 |
3.288 |
1.20 |
|
3.504 |
3.606 |
2.91 |
3.539 |
1.00 |
|
3.750 |
3.864 |
3.04 |
3.789 |
1.04 |
|
4.007 |
4.132 |
3.12 |
4.039 |
0.80 |
可见，尽管使用IBUS_ADC和IBAT_ADC均能够实现对BQ25980输入电流的采集与测量，但两种方法的测量精度存在一定程度的差异。下图提供了两种方法测量误差的进一步对比。
图4. BQ25980输入电流检测误差对比图
观察上图可以看出，针对BQ25980的输入电流检测，在0.5A~4A的测试范围内，本文提出的IBAT_ADC检测方法的误差表现优于IBUS_ADC测量方法。具体的，就本实验而言，采用IBAT_ADC方法的测量误差可以基本控制在1.5%以内；而采用IBUS_ADC直接测量输入电流的误差仅能控制在3.5%以内。
综上所述，本文提出的基于IBAT_ADC的BQ25980输入电流的检测方法可以显著改善芯片输入电流的检测精度，为系统设计和实际应用提供方便。
参考文献：
Texas Instruments, BQ25980 Datasheet
Texas Instruments, BQ25980EVM (BMS040) Evaluation Module User Guide
Texas Instruments, 具有高效率电荷泵（Charge Pump Charger）充电系统介绍
Texas Instruments, How to use the BQ25970 for Flash Charging
