BQ3050 CEDV气体表和电池组管理器，适用于2系列、3系列和4系列锂离子电池

元器件信息 2022-11-18 10:45 329 0

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特点

•完全集成2系列、3系列和4系列锂离子或锂聚合物电池组管理器和保护

•高级补偿放电端电压（CEDV）测量

•高侧N-CH保护FET驱动

•集成预充电场效应晶体管

•集成单元平衡

•低功耗模式

–低功率：<180μA

–睡眠<76μA

•全套可编程保护功能

–电压

–电流

–温度

•复杂的充电算法

–JEITA

–增强充电

–自适应充电

•支持双线SMBus v1.1接口

•SHA-1身份验证

•紧凑包装：38铅TSSOP

应用

•笔记本/上网本

•医疗和测试设备

•便携式仪器

说明

Texas Instruments bq3050补偿Endof Discharge Voltage（CEDV）气体测量仪和电池组管理器是一个单芯片解决方案，为2系列、3系列和4系列电池锂离子和锂聚合物电池组提供了丰富的保护、认证和数据采集功能。

bq3050设备使用其集成的高性能模拟外围设备，测量并保持锂离子电池或锂聚合物电池中可用容量、电压、电流、温度和其他关键参数的准确记录，并通过SMBus v1.1兼容接口将此信息报告给系统主控制器。

bq3050提供基于软件的一级和二级安全保护，用于过压、欠压、超温和过充电条件，以及基于硬件的放电过电流和充放电短路保护。

SHA-1身份验证具有用于验证密钥的安全内存，可以毫无疑问地识别正品电池组。

紧凑型38铅TSSOP封装将智能电池的解决方案成本和尺寸降至最低，同时为电池计量应用提供最大的功能性和安全性。

设备信息

（1）、有关所有可用的软件包，请参阅数据表末尾的订购附录。

简图

SBS定时要求

（1）、当任何时钟低电平超过tTIMEOUT时，bq3050超时。

（2）、tHIGH，最大值，是公车最短空闲时间。对于t>50μs，SMBC=1会导致涉及正在进行的bq3050的任何事务重置。当大腿高度为0时，本规范有效。如果THIGH_VAL=1，则大腿的值由THIGH_1,2设置，超时不是SMBus标准。

（3）、tLOW:SEXT是允许从设备在一条信息中从初始开始到停止延长时钟周期的累计时间。

（4）、tLOW:MEXT是允许主设备在一条信息中从初始开始到停止延长时钟周期的累计时间。

（5）、上升时间tR=VILMAX–0.15）至（VIHMIN+0.15）。

（6）、下降时间tF=0.9 VDD to（VILMAX–0.15）。

典型特征

详细说明

概述

bq3050测量电压、温度和电流，以确定电池容量和充电状态（SOC）。bq3050通过感测SRP和SRN引脚之间以及与电池串联的小电阻（5 mΩ到20 mΩ，典型值）之间的电压，来监测充电和放电活动。通过整合通过电池的电荷，在电池充电或放电过程中调整电池的SOC。OCV和电荷积分的测量确定了化学SOC。

Qmax值取自电池制造商的数据表乘以并联电池的数量，并用于计算设计容量。它使用OCV和Qmax值来确定电池插入、设备重置或执行命令时的StateOfCharge（）。FullChargeCapacity（）报告为从完全充电直到电压（）达到EDV0阈值的学习容量。当电压（）下降到关机以下时电压对于关机时间，并且至少在关机时间内离开关机模式，设置PF Flags1（）[VSHUT]位。有关更多详细信息，请参阅bq3050技术参考手册（SLU485）。

燃料计量是从补偿放电端电压（CEDV）方法推导出来的，该方法使用一个数学模型来关联剩余电荷状态（RSOC）和接近放电结束状态的电压。对于单点FCC更新，这需要一个完整的放电周期。该实现将电池电压（OCV）建模为电池SOC、温度和电流的函数。阻抗也是SOC和温度的函数，可以通过使用七个参数来满足：EMF、C0、R0、T0、R1、TC和C1。

功能框图

特性描述

主要（1级）安全特性

bq3050支持多种电池和系统保护功能，可轻松配置。主要安全特性包括：

•电池过压/欠压保护

•充放电过电流

•短路

•充放电温度过高

•AFE看门狗

二级（二级）安全特性

bq3050的二次安全特性可用于通过保险丝引脚指示更严重的故障。此引脚可用于熔断直列式保险丝，以永久性地禁止电池组充电或放电。二级安全保护功能包括：

•安全过电压

•充放电安全过电流

•充放电安全超温

•充电场效应晶体管、放电场效应晶体管和预充电场效应晶体管故障

•电池不平衡检测

•二次电压保护IC熔断器

•AFE寄存器完整性故障（AFE_P）

•AFE通信故障（AFE_C）

充电控制特性

bq3050充电控制功能包括：

•支持JEITA温度范围。根据有效温度范围报告充电电压和充电电流

•处理更复杂的充电模式。允许将标准温度范围分成两个子范围，并允许根据电池电压改变充电电流

•使用SMBus广播向智能充电器报告恒流充电所需的适当充电电流和恒压充电所需的适当充电电压

•在充电过程中，使用基于电压的电池平衡算法，逐渐减小电池组充满电状态下电池单元的充电差异。可以设置一个电压阈值来激活电池平衡。这可以防止充满电的电池过度充电并导致过度退化，同时还可以通过防止过早终止充电来增加电池组的可用能量。

•支持预充电/零电压充电

•如果电池组温度超出温度范围，则支持充电抑制和充电暂停

•报告充电故障，并通过充电和放电警报指示充电状态

气体计量

bq3050使用CEDV算法来测量和计算电池单元中的可用容量。bq3050积累充电和放电电流的测量值，并补偿蓄电池温度和充电状态的充电电流测量值。bq3050估计电池的自放电，并根据温度调整自放电估计值。详见bq3050技术参考手册（SLU485）。

寿命期数据记录特征

bq3050为以下关键电池参数提供有限的寿命数据记录：

•寿命最高温度

•寿命最低温度

•最大电池电压

•最低电池电压

认证

•bq3050支持主机使用SHA-1进行身份验证。

•启封和完全进入需要气体表的SHA-1认证。

设备功能模式

bq3050支持三种电源模式以降低功耗：

•在正常模式下，bq3050每隔0.25秒执行测量、计算、保护决策和数据更新。在这些间隔期间，bq3050处于功率降低阶段。

•在休眠模式下，bq3050以可调的时间间隔执行测量、计算、保护决策和数据更新。在这些间隔期间，bq3050处于功率降低阶段。bq3050具有唤醒功能，当检测到电流或故障时，可以退出休眠模式。

•在停机模式下，bq3050完全禁用。

配置

振荡器功能

bq3050完全集成了系统振荡器，不需要任何外部组件来支持此功能。

系统当前运行

bq3050定期（1s）检查PRES引脚。如果外部系统将PRES输入拉至接地，bq3050将检测到系统存在。

2、3或4单元配置

在2单元配置中，VC1对VC2和VC3短路。在3单元配置中，VC1对VC2短路。

电池平衡

该设备通过在充电或静止时绕过每个电池的电流来支持电池平衡。如果使用设备的内部旁路，最多可旁路10毫安，同时可绕过多个电池。使用外部电池平衡电路可以获得更高的电池平衡电流。在外部单元平衡模式下，一次只能平衡一个单元。

单元平衡算法确定需要绕过的电荷量，以平衡所有单元的容量。

内部单元平衡

配置内部电池平衡时，电池平衡电流由VCx输入端的外部电阻器RVC定义。见图4。

外部电池平衡

配置外部电池平衡时，电池平衡电流由RB定义。见图5。一次只能平衡一个电池。

电池参数测量

充放电计数

bq3050使用集成的△sigma模数转换器（ADC）进行电流测量，使用第二个delta-sigma ADC测量单个电池和电池的电压和温度。

积分δ-西格玛ADC通过测量SR1和SR2引脚之间的小值感测电阻的电压降来测量电池的充放电流量。积分ADC测量从-0.25 V到0.25 V的双极信号。当VSR=V（SRP）–V（SRN）为正时，bq3050检测电荷活动，当VSR=V（SRP）–V（SRN）为负时检测放电活动。bq3050使用一个内部计数器，随着时间的推移持续集成信号。计数器的基本速率为0.65nvh。

电压

bq3050每隔0.25秒更新单个串联电池电压。bq3050的内部ADC测量电压，并对其进行适当的缩放和校准。该数据还用于计算CEDV气体测量的电池阻抗。

电流

bq3050使用SRP和SRN输入来测量和计算电池充电和放电电流，典型值为5-mΩ至20-mΩ。感应电阻器。

自动校准

bq3050提供了自动校准功能，以消除SRN和SRP之间的电压偏移误差，以获得最大的电荷测量精度。当SMBus线路持续处于低位至少5秒时，bq3050执行自动校准。

温度

bq3050有一个内部温度传感器和两个外部温度传感器的输入。所有三个温度传感器选项都是针对电池或FET温度单独启用和配置的。提供了两种可配置的热敏电阻模型，用于监测电池温度和场效应管温度（可能是更高温度类型）。

通信

bq3050根据SBS规范使用带主模式和数据包错误检查（PEC）选项的SMBus v1.1。

SMBus开启和关闭状态

当SMBC和SMBD低达两秒或更多秒时，bq3050检测到SMBus关闭状态。清除此状态需要SMBC或SMBD转换为高。通信总线将在1毫秒内恢复活动。

SBS命令

应用与实施

注意

以下应用章节中的信息不是TI组件规范的一部分，TI不保证其准确性或完整性。TI的客户负责确定组件的适用性。客户应验证和测试其设计实现，以确认系统功能。

申请信息

bq3050气体表是一种主要的保护装置，可与2系列、3系列或4系列锂离子/锂聚合物电池组一起使用。为了实现和设计一套针对特定电池组的综合参数，用户需要bqEVSW工具，这是一种在开发过程中安装在PC上的图形用户界面工具。产品中安装的固件具有默认值，bq3050技术参考手册（SLU485）中对此进行了总结。使用bqEVSW工具，一旦系统参数已知，就可以更改这些默认值以满足开发期间的特定应用需求，例如保护的faulttrigger阈值、启用或禁用某些操作特性、单元配置等。

典型应用

在典型应用中，bq3050通常与第二级过电压保护装置配对，以提供独立的电压保护等级。

bq3050通常用于使用LED显示功能提供视觉显示，但这是可选的。

设计要求

对于bq3050设计示例，使用表1中的参数作为输入参数。

详细设计程序

大电流路径

高电流路径从电池组的电池组+端子开始。当充电电流通过电池组时，它会通过保护FET、化学保险丝、锂离子电池和电池连接以及感测电阻，然后返回电池组终端（请参阅）。此外，一些组件被放置在电池组+和电池组-端子上，以减少静电放电的影响。

保护FET

对于给定的应用，必须选择N沟道充放电场效应晶体管（图8）。大多数便携式电池应用都很适合CSD17308Q3。TI CSD17308Q3是一个47A-A，30-V的器件，当栅极驱动电压为10v时，Rds（on）为8.2mΩ。

如果使用预充电场效应晶体管，则计算R15以将预充电电流限制在所需速率。一定要考虑串联电阻器的功耗。预充电电流限制为（Vcharger–Vbat）/R15，最大功耗为（Vcharger–Vbat）2/R15。

所有保护fet的栅极被拉到源极，栅极和源极之间有一个高阻值电阻器，以确保栅极驱动打开时它们被关闭。

电容器C16和C17有助于在ESD事件中保护FET。如果其中一个短路，使用两个装置可确保正常运行。为了获得良好的静电放电保护，电容器引线的铜迹线电感必须设计得尽可能短和宽。确保C16和C17的额定电压足以在其中一个电容器短路时阻止施加的电压。

化学熔丝

化学保险丝（Sony chemical、Uchihashi等）在bq294705二次电压保护IC或燃气表保险丝插脚的命令下点火。任何一个事件都会对Q1的栅极施加一个正电压，如图9所示，然后它吸收来自保险丝第三个端子的电流，导致保险丝点火并永久断开。

仔细检查保险丝规格并将所需的点火电流与N沟道FET提供的电流相匹配是很重要的。确保此设备使用正确的电压、电流和Rds（on）额定值。在熔断器电路中，详细讨论了熔断器控制电路。

锂离子电池连接

电池连接需要记住的重要一点是，高电流流过顶部和底部连接；因此，这些点的电压感应引线必须采用开尔文连接，以避免因高电流铜迹线下降而产生任何错误。图10中标记为4P的位置表示最正极蓄电池节点的开尔文连接。标记为1N的连接同样重要。旧一代设备中的VC5引脚（电池电压测量的接地基准）不在bq3050设备中。因此，需要在1N处与小电流接地进行单点连接，以避免在气体压力计测量底部电池电压时通过长轨迹产生意外的电压降。

感测电阻器

与电池连接一样，感测电阻处的开尔文连接质量至关重要。感测电阻器的温度系数必须不大于75 ppm，以尽量减小电流测量随温度的变化（图11）。选择与bq3050可用过电流和短路范围相对应的感测电阻值。选择可能的最小值，以使短路期间bq3050 VSS节点上产生的负电压最小化。该引脚的绝对最小值为–0.3 V。对于带有两个平行圆柱形电池的电池组，10 mΩ通常是理想的。只要保证良好的开尔文传感，就可以使用并联电阻器。

bq3050的接地方案不同于老一代设备。在以前的设备中，设备接地（或低电流接地）连接到Rsense电阻垫的SRN侧。然而，bq3050在Rsense电阻垫的SRP侧连接低电流接地，靠近电池1N端子（参见锂离子电池连接）。这是因为与以前的设备相比，bq3050少了一个VC引脚（一个接地参考引脚VC5）。取下销并将其内部组合到SRP中。

ESD缓解

一对0.1-μF系列陶瓷电容器放置在电池组+和电池组–端子上，以帮助减轻外部静电放电。如果其中一个电容器短路，两个串联的装置可确保电池组的持续运行。

可选地，可以在端子之间放置一个tranzorb，例如SMBJ2A，以进一步提高ESD抗扰度。

煤气表回路

煤气表电路包括bq3050及其外围元件。这些组件分为以下几组：差分低通滤波器、电源去耦/RBI、系统存在、SMBus通信、保险丝电路和LED。

差分低通滤波器

如图12所示，差分过滤器必须先于气体表的电流感应输入。该滤波器消除了不必要的数字噪声的影响，这些噪声会导致测量电流的偏移。即使是最好的差分放大器在高频下也有较少的共模抑制。在没有滤波器的情况下，放大器输入级可以校正强RF信号，然后该信号可能出现dc偏移误差。

由于电容器C15将C12/C13分流，并减少因元件失配而产生的交流共模，因此元件的5%公差就足够了。它还被证明可以通过保持μa对称放置图案和为差分滤波器网络添加接地屏蔽来减少偏移和噪声误差。

电源解耦和RBI

电源解耦是bq3050先进煤气表优化运行的重要环节。如中所示，从REG33到VSS和REG25到VSS的单个1.0-μF陶瓷去耦电容器必须放置在IC引脚附近。

RBI引脚用于在短暂的瞬时断电期间提供备用RAM电压。部分复位机制利用RAM在临时断电后恢复关键CPU寄存器。标准0.1-μF陶瓷电容器从RBI引脚接地，如图13所示。

系统存在

系统存在信号用于通知燃气表组件是安装在系统中还是从系统中卸下的。在主机系统中，此针脚接地。偶尔会对bq3050的PRES引脚进行采样，以测试是否存在系统。为了节省电力，煤气表在每秒一次4μs的短暂采样脉冲期间提供一个内部上拉电阻器。

由于系统当前信号是组件连接器与外界接口的一部分，因此必须对其进行保护，使其免受外部静电放电事件的影响。PRES装置引脚上的集成ESD保护将8-kV ESD触点额定值的外部保护要求降低到R25（图14）。但是，如果系统当前信号可能对PACK+短路，则必须包括R18和D3以进行高压保护。

SMBus通信

与系统现有引脚类似，SMBus时钟和数据引脚集成了高压ESD保护电路，减少了外部齐纳二极管保护的需要。当使用图15所示的电路时，通信线路能够承受8 kV（接触）ESD冲击。C23和C24的选择值为100 pF，以满足SMBus规范。如果需要使用更大的输入电阻和/或齐纳二极管提供更高的保护，请仔细研究在最坏情况下通信条件下SMBus信号的信号质量。

SMbus时钟和数据线具有内部下拉菜单。当仪器处于低功率校准状态时，两个传感器都进入自动校准模式。

保险丝电路

bq3050的保险丝针设计用于在违反各种安全标准的情况下点燃化学熔丝（图16）。保险丝引脚还监视辅助电压保护IC的状态。Q3在门高的时候点燃化学熔丝。bq29705的7v输出被R13和R14分开，这为Q1提供足够的栅极驱动，同时在熔丝信号高的情况下防止进入bq29705的过多反向电流。

使用C14通常是一个很好的做法，特别是对于RFI抗扰度。如果需要，可以移除C14，因为化学熔丝是一个相对缓慢的装置，并且不受电池连接过程中安全输出可能产生的任何亚微秒级故障的影响。

当bq3050被命令点燃化学保险丝时，保险丝引脚激活，提供典型的8伏输出。新的设计使得在Q1中使用更高的Vgs场效应晶体管成为可能。这提高了系统的健壮性，也拓宽了Q1的选择范围。

PFIN检测

如前所述，保险丝针在该设备上具有双重作用。当bq3050未被指令点燃化学熔丝时，熔丝引脚默认感测二次电压保护器的OUT引脚状态。当二次电压保护器点燃化学熔断器时，高电压由熔断器引脚感应，bq3050相应设置PFIN标志。

二次电流保护

bq3050提供二次过电流和短路保护、单元平衡、单元电压复用和电压转换。以下章节检查电池和电池输入、电池组和场效应管控制、调节器输出、温度输出和电池平衡。

电池和电池输入

每个电池输入都有一个简单的RC滤波器，在电池连接期间提供ESD保护，并用于过滤不需要的电压瞬变。电阻值允许在电池平衡和安全保护之间进行一些权衡。

bq3050中的内部电池平衡FET通常提供约310Ω（310Ω，电池电压≥2 V。电池平衡FET在电池电压≥4 V的情况下降低至典型的125Ω），可用于绕过单个电池中的充电电流（相对于其他电池过度充电）（图17）。这种旁路的目的是在充电期间减少进入任何一个电池的电流，使串联元件达到相同的电压。放置在输入引脚和正串联元件节点之间的串联电阻控制旁路电流值。bq3050器件设计用于吸收10毫安的电池平衡电流。建议使用100Ω和1 kΩ之间的串联输入电阻，以实现电池的有效平衡。

BAT输入使用二极管（D1）和1-μF陶瓷电容器（C9）将其与电池隔离，并在短路事件导致电压骤降时将其与电池分离。

此外，如前面在高电流路径中所述，电池的顶部和底部节点必须通过开尔文连接在电池连接处进行感应，以防止高电流PCB铜线下降导致的电压感应错误。

外部电池平衡

内部电池平衡只能支持10毫安。外部单元平衡为更快的单元平衡提供了另一种选择。有关详细信息，请参阅应用说明，使用外部MOSFET（SLUA420）进行快速单元平衡。

封装和场效应晶体管控制

电池组和VCC输入从充电器向bq305x供电。电池组输入还提供了一种测量和检测充电器存在的方法。块输入使用10-KΩ电阻器，而VCC输入使用二极管来防止输入瞬态，并防止数据驱动器在短路事件中发生故障（图18）。

N沟道充放电fet由5.1kΩ系列栅电阻控制，开关时间常数为几微秒。3.01 MΩ电阻器确保FET在与FET驱动器断开连接的情况下关闭。Q4用于在反向连接充电器的情况下保护放电FET（Q3）。如果没有Q4，Q3可能会被驱动到它的线性区域，并且如果PACK+输入变为负，则会遭受严重的损害。

在这种情况下，Q4打开，通过短路其门到源来保护Q3。为了使用简单的接地栅极电路，FET必须具有较低的栅极开启阈值。如果需要使用更标准的器件，如2N7000作为参考原理图，则应使用高值电阻器将栅极偏置至3.3V。bq3050装置能够提供电流受限的充电路径，通常用于低电池电压或低温充电。预充电FET集成在bq3050器件中，允许用户通过PCHGIN输入通过PCR管脚连接外部预充电负载电阻。bq3050设备支持高达100毫安的预充电电流。在选择外接负载电阻时，应考虑最大充电电压和内部预充电场效应管的Rdson。