基于BQ40z80的電量計(jì)電路設(shè)計(jì)原則說(shuō)明

作者：Weng Iris

1.介紹

BQ40z80是完全集成的2-7節(jié)鋰離子或鋰聚合物電池管理芯片，采用已獲專(zhuān)利的Impedance Track?技術(shù)，具備電流、電壓和溫度等全面的可編程保護(hù)功能。其硬件電路設(shè)計(jì)主要分為三個(gè)部分：主電流回路模塊、電量計(jì)模塊和保護(hù)模塊。

2.主電流回路
主電流回路即指在電量計(jì)的控制下對(duì)電池進(jìn)行充電、放電的電流回路。當(dāng)充電時(shí)，該回路的電流從PACK+開(kāi)始，經(jīng)過(guò)用于控制充電和放電的開(kāi)關(guān)FETs、化學(xué)保險(xiǎn)絲、電池和電流采樣電阻，最終回到PACK-。

2.1充、放電FETs
充、放電的兩個(gè)N-CH FETs以漏極對(duì)接的方式串聯(lián)在PACK+和電池組的正極，如圖2-1所示，Q2、Q3分別是充、放電FET。當(dāng)進(jìn)行充電或放電時(shí)，Q2和Q3同時(shí)導(dǎo)通；當(dāng)充電停止時(shí)，Q2關(guān)斷；當(dāng)放電停止時(shí)，Q3關(guān)斷。

圖2-1 充、放、預(yù)充、預(yù)放電MOSFET電路圖
在進(jìn)行FETs選型時(shí)應(yīng)注意以下兩點(diǎn)：（1）FET的額定電壓值必須大于電池的最大電壓；（2）考慮到放電時(shí)負(fù)載端產(chǎn)生反電動(dòng)勢(shì)的情況，放電FET的額定電壓值應(yīng)比充電FET稍大。

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其驅(qū)動(dòng)信號(hào)CHG和DSG上的柵極驅(qū)動(dòng)電阻典型值分別為1kΩ和4.02kΩ，該阻值不同是由引腳內(nèi)部結(jié)構(gòu)決定的，使FETs的開(kāi)通時(shí)間在幾毫秒左右；FETs柵源間電阻典型值為10MΩ, 以確保柵極開(kāi)路時(shí)FETs關(guān)斷，避免誤導(dǎo)通現(xiàn)象。

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跨接在FTEs兩端的電容C₁、C₂起到在ESD事件中保護(hù)FETs的作用，其兩端路徑應(yīng)本著盡可能短和寬的設(shè)計(jì)原則，同時(shí)還應(yīng)注意C₁和C₂的額定電壓都應(yīng)比系統(tǒng)相應(yīng)最大電壓更大，從而達(dá)到在某一個(gè)短路時(shí)另一個(gè)仍能起到保護(hù)作用的效果。

2.2預(yù)充、預(yù)放電FETs

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預(yù)充電功能指當(dāng)電池因過(guò)度放電、放置過(guò)久的自放電等原因?qū)е聝啥穗妷哼^(guò)低時(shí)，若直接進(jìn)入正常充電模式易損壞電池或影響電池使用壽命，此時(shí)需使用預(yù)充電功能，以小電流將電池充電至正常電壓范圍內(nèi)后再轉(zhuǎn)換為正常充電模式。它通過(guò)對(duì)P-FET的控制實(shí)現(xiàn)，預(yù)充電流的大小通過(guò)限流電阻R₂=(V_CHARGER-V_BAT)/R₂設(shè)定，同時(shí)兼顧對(duì)電阻上的熱量消耗P=(V_CHARGER-V_BAT)²/R₂的考慮。

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預(yù)放電功能是指當(dāng)電池應(yīng)用于較大的電容負(fù)載時(shí)，啟動(dòng)瞬間易產(chǎn)生瞬間沖擊電流，需先以軟起的形式進(jìn)行緩慢充電，從而減小瞬間大電流。如圖1-1所示，來(lái)自Pins 16、17或20的驅(qū)動(dòng)信號(hào)提供一個(gè)高電平使N-CH FET Q₁₀導(dǎo)通，從而將預(yù)充電P-CH FET Q₈的柵極接入地，使Q₈導(dǎo)通，預(yù)充電回路打開(kāi)，其預(yù)放電速率由限流電路設(shè)定。

2.3 防反接保護(hù)

充電器反接會(huì)對(duì)系統(tǒng)造成極大傷害，因此需為此設(shè)計(jì)相應(yīng)的保護(hù)電路，如圖2-2所示。

圖2-2 反接保護(hù)電路

若無(wú)此保護(hù)，當(dāng)PACK+上出現(xiàn)一個(gè)略小的負(fù)信號(hào)，放電FET將進(jìn)入線性工作區(qū)，影響電路正常工作。但加入防反接電路后，PACK+上的負(fù)信號(hào)會(huì)使柵極接地的N-FET Q₉導(dǎo)通，使放電FET的柵源極短路，從而起到保護(hù)作用。在選型時(shí)應(yīng)選擇具有較低V_gs(th)的N-FET，已達(dá)到可靠及時(shí)的保護(hù)效果。

2.4電芯輸入

BQ40z80可以實(shí)現(xiàn)2-7節(jié)鋰電池的管理和保護(hù)。對(duì)于2-6節(jié)的電池，芯片內(nèi)部包含已集成的電壓均衡模塊，只需正常進(jìn)行連接，未使用的Pins短接處理，例如圖2-3所示在5節(jié)串聯(lián)電池的應(yīng)用中需將VC6與VC5短接。同時(shí)，每節(jié)電芯的輸入應(yīng)設(shè)計(jì)一個(gè)RC濾波電路，在起到ESD保護(hù)作用的同時(shí)，也可實(shí)現(xiàn)對(duì)輸入電壓信號(hào)實(shí)現(xiàn)初步濾波?？紤]到該電阻處在電壓均衡回路上，阻值選取應(yīng)在內(nèi)部電壓均衡和濾波頻率間進(jìn)行均衡。

圖2-3 5節(jié)電芯輸入連接方式

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對(duì)于7節(jié)電芯的電池則需進(jìn)行額外的設(shè)置將電壓均衡設(shè)置在外部，其連接方式如圖2-4所示，其中，Pin VC7EN使能對(duì)7P的電壓測(cè)量。

圖2-4 7節(jié)電芯連接方式及其外部電壓均衡模塊

2.5電流采樣電阻

通過(guò)由采樣電阻所確定的回路電流值及方向是電量計(jì)的重要輸入信號(hào)。BQ40z80內(nèi)部有一個(gè)用于電流檢測(cè)的集成Delt-sigma ADC，可實(shí)現(xiàn)的測(cè)量范圍是-0.1V到0.1V。通過(guò)Pins SRP、SRN檢測(cè)到的采樣電阻兩端的壓降判斷流經(jīng)電池的電流，一方面用于判斷系統(tǒng)處于充電還是放電模式，當(dāng)檢測(cè)到V_SR=V_(SRP)-V_(SRN)為正值時(shí)，系統(tǒng)處于充電狀態(tài)，反之處于放電狀態(tài)；另一方面通過(guò)庫(kù)倫計(jì)得到的積累電荷是電量計(jì)算的關(guān)鍵參數(shù)之一。

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BQ40z80推薦的采樣電阻阻值為1mΩ-3mΩ。對(duì)于大電流的應(yīng)用場(chǎng)合，在確?？煽康拈_(kāi)爾文連接的前提下支持并聯(lián)采樣電阻的方案。為防止短路情況下的大電流使電阻兩端電壓值超過(guò)Pins SRP、SRN的最大絕對(duì)輸入值0.3V，兩個(gè)100Ω的電阻R₃₆、R₃₇應(yīng)串聯(lián)接入采樣信號(hào)。

圖2-5 采樣電阻開(kāi)爾文連接

綜上，如何確保較高的測(cè)量精度是設(shè)計(jì)采樣電阻時(shí)的關(guān)鍵。應(yīng)注意以下三點(diǎn)：（1）連接方式應(yīng)選擇開(kāi)爾文連接，如2-5圖所示；（2）電阻選型應(yīng)注意使其溫漂小于50ppm，以減小因溫度變化引起的測(cè)量電流的漂移；（3）設(shè)計(jì)合適的濾波電路以減小噪聲干擾，詳見(jiàn)3.1節(jié)。

3.電量計(jì)

3.1庫(kù)倫計(jì)接口

為了提高采樣電流精度，除了對(duì)采樣電阻的處理還可對(duì)輸入信號(hào)的接口電路進(jìn)行設(shè)計(jì)，如圖3-1所示是為減小信號(hào)噪聲而對(duì)采樣信號(hào)設(shè)計(jì)的低通濾波電路。

圖3-1 庫(kù)倫計(jì)接口低通濾波電路

Pins SRP、SRN兩端分別設(shè)置0.1μF的濾波電容C₁₃和C₁₄，以實(shí)現(xiàn)對(duì)100k-100MHz頻率范圍內(nèi)的噪聲的濾除作用，中間跨接的兩個(gè)100pF和0.1μF的電容用于濾除高于100MHz的噪聲。以上所有濾波元件都應(yīng)放置在離輸入端盡量近的地方，且采樣電阻兩端信號(hào)到濾波電路的路徑應(yīng)保持平行，最后，在濾波電路周?chē)仢M地平面會(huì)對(duì)更良好的濾波效果有所幫助，如圖3-2所示。

圖3-2 庫(kù)倫計(jì)接口濾波電路Layout方式

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3.2電源管理

BQ40z80的供電系統(tǒng)包括三部分：來(lái)自電池的BAT、來(lái)自充電器的VCC和內(nèi)部進(jìn)行瞬間供電的PBI，據(jù)工作狀態(tài)的不同對(duì)電源供應(yīng)進(jìn)行管理，如圖3-3所示。

圖3-3 BQ40z80供電管理系統(tǒng)

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通常，由電池對(duì)設(shè)備進(jìn)行初級(jí)供電，從正極經(jīng)過(guò)一個(gè)輸入端肖特基二極管引入至Pin BAT，輸入范圍為2.2-32V，該二極管可在因短路引起的暫態(tài)電壓跌落的情況下將設(shè)備與電池迅速隔離開(kāi)，由所用電池的最大電壓決定，例如24V的電池選擇40V的二肖特基極管。Pin VCC作為設(shè)備的第二級(jí)電源輸入，連接在CHG和DSG的FETs共漏極，當(dāng)電池處于電量較低的狀態(tài)，若PACK上有充電器，設(shè)備檢測(cè)到BAT的電壓低于VCC時(shí)，將使用充電器的能量作為電源供應(yīng)。最后，第三級(jí)電源供應(yīng)來(lái)自Pin PBI，作為暫態(tài)失電的瞬間的能量后備，該引腳通過(guò)一個(gè)2.2μF的電容接入地，其瞬間的能量來(lái)源即該電容上儲(chǔ)存的能量。

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3.3系統(tǒng)檢測(cè)

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系統(tǒng)檢測(cè)指BQ40z80通過(guò)Pin PRES*去檢測(cè)PACK是否有充電器或負(fù)載的接入，該引腳通常接入地。設(shè)備內(nèi)部通過(guò)一個(gè)典型值為10-20μA的電流源在該引腳每秒提供一個(gè)4μs的脈沖，為使該測(cè)試脈沖值低于VIL限制，應(yīng)串聯(lián)20kΩ或小于20kΩ的電阻，如圖3-4所示。

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圖3-4 系統(tǒng)檢測(cè)電路

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同時(shí)，由于系統(tǒng)檢測(cè)信號(hào)連接至PACK，為在外部靜電放電時(shí)保護(hù)設(shè)備，BQ40z80的Pin PRES*內(nèi)部已有集成ESD保護(hù)，僅需將一個(gè)1kΩ的電阻接入即可實(shí)現(xiàn)8 kV的ESD保護(hù)。

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3.4 內(nèi)部電壓均衡

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BQ40z80含有內(nèi)部集成的電壓均衡模塊，可同時(shí)對(duì)每一節(jié)電芯實(shí)現(xiàn)最大10mA的均衡電流以達(dá)到電壓均衡。

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如圖3-5所示，以?xún)晒?jié)電芯為例，當(dāng)BQ40z80通過(guò)輸入端的電壓采樣判斷出某一節(jié)或多節(jié)電芯的電壓異常時(shí)，將驅(qū)動(dòng)內(nèi)部旁路FETs，使其開(kāi)通，在單節(jié)電芯的兩端構(gòu)成一個(gè)回路，所形成的旁路電流通過(guò)回路上的電阻將電芯兩端異常的電壓以熱的形式消耗掉。因此，回路上的總電阻決定旁路電流的大小，即電壓均衡的強(qiáng)度。

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圖3-5 內(nèi)部集成電壓均衡模塊

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電阻由兩部分構(gòu)成，第一是旁路FETs的導(dǎo)通電阻R_ds(on)=200Ω，第二是電芯電壓輸入端的RC濾波電路。所以，每一節(jié)電芯的總旁路電阻為2×100+200 = 400Ω，若按一節(jié)電芯電壓典型值為4V考慮，旁路電流約為10mA。需注意的是，電壓均衡的實(shí)現(xiàn)過(guò)程并不是旁路FETs全導(dǎo)通直至均衡完成的過(guò)程，而是在每小時(shí)內(nèi)以一定的占空比開(kāi)啟旁路FETs，對(duì)BQ40z80而言其典型值為75%，該值可通過(guò)軟件進(jìn)行修改。此時(shí)，對(duì)一節(jié)容量為2000mAh、SOC異常10%的電池，以占空比D去均衡則所需的時(shí)間t =2000mAh×10%/(10mA×D)。

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3.5 外部電壓均衡模塊

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BQ40Z80含有內(nèi)部集成的電壓均衡模塊，能同時(shí)對(duì)每一節(jié)電芯實(shí)現(xiàn)最大10mA的均衡電流以達(dá)到電壓均衡。若需要更快速度的電壓均衡能力，則需進(jìn)行外部電壓均衡模塊的設(shè)計(jì)，如圖3-6所示。

外部N-MOSFETs采用具備低柵源驅(qū)動(dòng)閾值電壓V_gs(th)的?？紤]到FETs的導(dǎo)通穩(wěn)定性，此處將輸入RC濾波電路中原100Ω的電阻改變?yōu)?span>1kΩ。工作原理如下：當(dāng)BQ40z80控制內(nèi)部旁路FETs導(dǎo)通，形成內(nèi)部旁路回路，其上兩個(gè)1kΩ的電阻和FETs的導(dǎo)通電阻R_ds(on)=200Ω構(gòu)成一個(gè)分壓比為0.454的電阻分壓器?？紤]一節(jié)電芯的典型電壓范圍為3-4.2V，當(dāng)進(jìn)行單節(jié)電芯的電壓均衡將會(huì)經(jīng)過(guò)分壓在電阻上產(chǎn)生一個(gè)1.362-1.907V的電壓信號(hào)，該信號(hào)即外部FETs的柵源驅(qū)動(dòng)電壓，因此N-MOSFETs導(dǎo)通，外部的旁路回路打開(kāi)，旁路電流大小將由外部回路上的電阻決定，用戶(hù)可根據(jù)需求設(shè)置。

圖3-6 外部電壓均衡模塊

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應(yīng)注意的是外部旁路MOSFET選擇原則是在考慮電路分壓比的情況下使其具備盡量低的V_gs(th)，以實(shí)現(xiàn)成功可靠的驅(qū)動(dòng)，例如DMN2004DWK、NTZD3154N和Si1024X等。更多細(xì)節(jié)可參考應(yīng)用技用文檔，Fast Cell Balancing Using

External MOSFET (SLUA420)。

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3.6 溫度

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BQ40z80提供四個(gè)多達(dá)4個(gè)溫度輸入信號(hào)TS1、TS2、TS3和TS4，可同時(shí)用于電池、FETs等的溫度檢測(cè)，可通過(guò)軟件配置其檢測(cè)的對(duì)象類(lèi)型和模式。 Pins TS1、TS2、TS3和TS4內(nèi)部都集成了典型值18kΩ的上拉電阻，可支持25℃下10kΩ的NTC熱敏電阻（暫不支持PTC），應(yīng)注意用于電池的溫度檢測(cè)則常采用引線式熱敏電阻，便于貼合電池表面，對(duì)電池溫度達(dá)到更好的監(jiān)控效果。

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4 針對(duì)大電流場(chǎng)合的應(yīng)用

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在一些特殊的應(yīng)用場(chǎng)合，如電動(dòng)車(chē)、飛機(jī)等，通常要求的放電電流較高。據(jù)此，以下提供一些關(guān)于如何針對(duì)大電流的應(yīng)用場(chǎng)合對(duì)BQ40z80進(jìn)行電路設(shè)計(jì)的方案可供參考。

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4.1 FETs及采樣電阻并聯(lián)方案

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針對(duì)大電流放電設(shè)計(jì)的關(guān)鍵點(diǎn)在于如何拓展主電流回路承受電流的能力，即包括該回路上的充放電FETs和電流采樣電阻。當(dāng)要求FETs通過(guò)較大電流時(shí)，考慮到散熱壓力及MOS的額定電流，推薦使用并聯(lián)MOS方案。在選型時(shí)，首先應(yīng)考慮驅(qū)動(dòng)能力的限制而選取具備盡量小的Q_g的開(kāi)關(guān)管，同時(shí)兼顧大電流導(dǎo)通情況下散熱和損耗壓力而選擇具備盡量小的R_ds(on)的開(kāi)關(guān)管。但對(duì)于并聯(lián)MOS易于產(chǎn)生的均流問(wèn)題還需進(jìn)行額外的考慮，如Layout時(shí)在盡量使其驅(qū)動(dòng)信號(hào)位置平行。

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針對(duì)電流采樣電阻，BQ40z80本身是支持并聯(lián)方案的。在選型時(shí)，應(yīng)結(jié)合所需求的電流值和Pins SRP、SRN的輸入電壓范圍的考慮去選取合適的電阻值。同時(shí)，出于散熱考慮對(duì)額定功率和封裝的選擇建議留有一定裕量。例如實(shí)現(xiàn)對(duì)100A電流的采樣，選取兩個(gè)1mΩ、額定功率3W、2512封裝的電阻。但出于對(duì)于電流采樣精度的考慮，并聯(lián)方案下對(duì)保障可靠的開(kāi)爾文連接是至關(guān)重要的。

4.2 并聯(lián)驅(qū)動(dòng)能力解決方案

顯然，并聯(lián)MOS方案存在的最大問(wèn)題就是IC驅(qū)動(dòng)能力有限制，BQ40z80的Pins CHG、DSG的驅(qū)動(dòng)最大輸出負(fù)載能力約為10μA，可參考該值及MOS的輸入電容、導(dǎo)通電阻等對(duì)其驅(qū)動(dòng)能力進(jìn)行衡量。針對(duì)該問(wèn)題有如下兩個(gè)解決方向：

第一，在BQ40z80的Pins CHG、DSG能力范圍內(nèi)去選擇Q_g值滿足可成功驅(qū)動(dòng)、R_ds(on)滿足和散熱需求的MOSFET，但需注意的是，普遍而言，這兩個(gè)值具備一個(gè)相反的關(guān)系，需要進(jìn)行衡量。另外，此時(shí)MOS開(kāi)通時(shí)間會(huì)相應(yīng)變長(zhǎng)。例如若選取CSD18510Q5B，Q_g=118nC，R_ds(on)=0.79mΩ（V_gs=10V），在以3個(gè)并聯(lián)的方式使用時(shí)，導(dǎo)通時(shí)間約14ms。

第二，當(dāng)MOS的驅(qū)動(dòng)需求超出BQ40z80的驅(qū)動(dòng)能力或?qū)﹂_(kāi)通時(shí)間有更高的要求的時(shí)候，可采用以下2種方式通過(guò)外加器件的設(shè)計(jì)增強(qiáng)電路驅(qū)動(dòng)能力：

（1）在Pins CHG、DSG的輸出增加一個(gè)額外的三極管去增強(qiáng)其驅(qū)動(dòng)能力，如圖4-1所示，但此時(shí)需增加一個(gè)額外的輸出值高于V_bat大約10V左右的DC-DC去完成三極管的電源供應(yīng)，上拉電阻阻值也應(yīng)根據(jù)MOS驅(qū)動(dòng)電流的需求設(shè)計(jì)。

圖4-1 BQ40z80及三極管驅(qū)動(dòng)電路

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（2）增加高側(cè)N通道FET驅(qū)動(dòng)器BQ76200（BQ76200）去增強(qiáng)其驅(qū)動(dòng)能力，如圖4-2所示，該設(shè)計(jì)下將避免加額外的DCDC的需求，BQ40z80的Pins CHG和DSG的輸出信號(hào)不再直接驅(qū)動(dòng)MOS，而是作為BQ76200的使能輸入，使用后者去驅(qū)動(dòng)MOS，從而解決驅(qū)動(dòng)能力不足的問(wèn)題。

圖4-2 BQ40z80及BQ76200驅(qū)動(dòng)電路

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選擇該設(shè)計(jì)方案時(shí)應(yīng)需注意，BQ40z80的Pins CHG和DSG的輸出電平分別以V_bat和PACK+作為基準(zhǔn)，而BQ76200的使能輸入是以VSS作為基準(zhǔn)，兩者之間的電壓等級(jí)并不匹配，所以需要進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換。對(duì)于BQ9006驅(qū)動(dòng)輸出的高電平，需要使用一個(gè)電阻分壓器R₁、R₂對(duì)BQ40z80的輸出電壓進(jìn)行變換，使其符合BQ76200的使能輸入范圍。同時(shí)，對(duì)于BQ006 輸出的低電平，需通過(guò)一個(gè)P-FET確保只有當(dāng)Pin CHG的輸出高于V_bat時(shí)，P-FET導(dǎo)通，BQ76200才會(huì)通過(guò)電阻分壓器得到的使能輸入，避免誤導(dǎo)通現(xiàn)象。P-FET的選取原則是其V_gs(th)約為10V左右，與Pin CHG的驅(qū)動(dòng)輸出相對(duì)應(yīng)。

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其次，還需關(guān)注電阻分壓器的阻值選取，考慮到Pin CHG的輸出電流能力極限約為10μA，輸出電壓約為V_bat+10V，R₁、R₂的總阻值應(yīng)限制電流在其能力范圍內(nèi)。同時(shí)，也應(yīng)考慮BQ76200的使能輸入Pin CHG_EN內(nèi)部含有的一個(gè)典型值約為1MΩ的下拉電阻對(duì)分壓值的影響。

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在實(shí)現(xiàn)電平轉(zhuǎn)換的基礎(chǔ)上，需對(duì)BQ76200在并聯(lián)方案下的電路進(jìn)行進(jìn)一步設(shè)計(jì)。首先，BQ76200除了支持充放電FETs串聯(lián)連接，還支持充電和放電分為兩個(gè)單獨(dú)的回路，即充放電FETs并聯(lián)的連接方式。當(dāng)應(yīng)用場(chǎng)合放電和充電的電流等級(jí)相差較大，可考慮分別設(shè)計(jì)充電和放電回路，這樣的設(shè)計(jì)可以有效減少充電FETs的數(shù)量。確定何種連接方式后，應(yīng)根據(jù)所使用FETs具體情況計(jì)算其Pin VDDCP上的電容值，更多細(xì)節(jié)可參考技術(shù)應(yīng)用手冊(cè)FET Configurations for the bq76200 High-Side N-Channel FET Driver(SLVA729A)。

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5 參考電路圖

編輯：fqj