ADP5061：小巧而强大的单节锂电池充电器

在当今的电子设备中，电池充电管理是一个关键环节，尤其是对于便携式设备而言，高效、安全且灵活的充电器至关重要。Analog Devices的ADP5061就是这样一款值得关注的产品，它是一款专为单节锂离子或锂聚合物电池设计的I2C可编程线性充电器，具备诸多出色的特性，适用于广泛的便携式应用。

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一、产品概述

ADP5061采用2.6 mm × 2 mm WLCSP封装，体积小巧，非常适合对空间要求苛刻的便携式设备。它支持通过I2C接口进行完全编程，拥有灵活的数字控制输入，能够满足不同应用场景的需求。

该充电器的输入电压范围为4.0 V至6.7 V，但能耐受高达20 V的电压，这一特性有效解决了USB总线在连接或断开时可能出现的电压尖峰问题。其线性充电器架构可在系统电源上提供高达2.1 A的输出电流（4.3 V至5.0 V，I2C可编程），从专用充电器向电池充电的电流可达1.3 A。同时，它完全兼容USB 3.0和USB电池充电规范1.2，可通过迷你USB VBUS引脚从壁式充电器、汽车充电器或USB主机端口进行充电。

二、产品特性

（一）充电性能

1. 多种充电模式

   • 涓流充电模式：对于深度放电的锂电池，ADP5061采用涓流充电模式，以安全的电流对电池进行充电，将电池电压提升到适合快速充电的水平。当电池电压低于VTRK_DEAD时，充电器以涓流模式电流ITRK_DEAD进行充电。如果涓流充电模式持续超过60分钟而电池电压仍未达到VTRK_DEAD，将判定为故障并停止充电。
   • 弱充电模式：当电池电压超过VTRK_DEAD但低于VWEAK时，充电器切换到弱充电模式。在此模式下，由于电池电压较低，USB收发器可能无法供电并枚举更多电流，因此USB电流限制为100 mA。电池充电电流ICHG_WEAK不能超过20 mA（若微控制器由充电器输出供电），也不能超过100 mA的USB限制。
   • 快速充电模式：当电池电压超过VTRK_DEAD和VWEAK时，充电器进入快速充电模式，以恒定电流ICHG对电池进行充电。在充电过程中，其他特性如等温充电模式或输入电流限制可能会影响充电电流的实际值。当电池电压接近终止电压VTRM时，充电器进入恒压充电模式，逐渐降低充电电流，以确保电池充满。

2. 高精度充电：ADP5061具有出色的充电精度，USB主机电流限制精度为±5%，终止电压精度为±1%，能够有效保护电池并延长其使用寿命。

（二）电源路径控制

ADP5061在线性充电器输出和电池之间集成了一个内部FET，该特性允许电池隔离，在电池没电或无电池的情况下为系统供电，使设备在连接到USB电源时能够立即正常工作。当VINx低于VVIN_OK时，电池隔离FET处于完全导通模式；在涓流充电模式下，电池隔离FET关闭；当电池电压超过VTRK时，电池隔离FET切换到系统电压调节模式，维持ISO_Sx引脚上的VISO_SFC电压。

（三）温度管理

1. 等温充电：ADP5061包含一个热反馈环路，当芯片温度超过TLIM（通常为115°C）时，会自动限制充电电流，以保持芯片温度在推荐范围内。随着芯片功耗和温度的降低，充电电流会恢复到编程水平。
2. 热关断和热预警：当芯片温度超过TSD（通常为140°C）时，充电器将被禁用，并设置TSD 140°C位。当芯片温度下降到TSD下降限值以下并通过I2C写入清除TSD 140°C位后，充电器可重新启用。在芯片温度达到TSD之前，如果超过TSDL（通常为130°C），会设置预警位，以便系统在热关断之前调整功耗。

（四）电池检测与保护

1. 电池电压检测：ADP5061具备电池检测机制，通过主动向ISO_Bx/BAT_SNS节点注入和吸收电流，并检测电压随时间的变化来判断电池是否存在。吸收阶段用于检测已充电的电池，源阶段用于检测已放电的电池。
2. 电池短路检测：在开始涓流充电时，充电器会监测电池电压。如果在指定的超时时间tBAT_SHR内电池电压未超过VBAT_SHR，将判定为电池短路故障，关闭电池隔离FET，但通过线性稳压器维持系统电压在VISO_STRK。
3. 过压保护：当电池电压超过电池过压阈值VBATOV时，充电器会采取相应保护措施，确保电池安全。

（五）其他特性

1. I2C接口：通过I2C接口，处理器可以对ADP5061进行编程，控制充电电流和众多其他参数，如涓流充电电流水平、涓流充电电压阈值、弱充电电流水平、快速充电电流和电压水平、快速充电安全定时器周期、看门狗安全定时器参数等。
2. 三个外部引脚：DIG_IO1、DIG_IO2和DIG_IO3三个外部引脚可直接控制多个参数，这些引脚可进行工厂编程，以实现诸如启用/禁用充电、控制输入电流限制、控制电池充电电流、设置中断输出等功能。

三、应用信息

（一）外部组件选择

1. ISO_Sx电容：为确保ADP5061稳定运行，ISO_Sx电容和系统电容的组合有效电容在任何操作点都不得小于20 μF且不得超过100 μF。建议选择X5R或X7R电介质且额定电压为6.3 V或更高的陶瓷电容，以保证在必要的温度范围和直流偏置条件下的最小电容值。
2. ISO_Bx电容：ISO_Bx有效电容（包括温度和直流偏置影响）在任何操作点都不得小于10 μF，通常需要标称电容为22 μF的电容来满足所有操作点的要求。
3. CBP电容：ADP5061的内部电源电压在CBP端子配备了一个降噪电容，CBP电容在任何操作点都不得超过14 nF，且不得将任何外部电压源、电阻性负载或其他电流负载连接到CBP端子。
4. VINx电容：根据USB 2.0规范，USB外设连接到USB端口时，VBUS上的电容必须至少为1 μF但不大于10 μF。如果应用需要将VINx输入暴露在高达20 V的电压下，电容的电压范围也必须高于20 V。

（二）PCB布局指南

合理的PCB布局对于ADP5061的性能至关重要。在布局时，应将电容尽可能靠近芯片引脚放置，以减少寄生电感和电阻。同时，要注意电源和地的布线，确保良好的电源完整性和信号完整性。参考电路和PCB布局示例可帮助工程师进行更优化的设计。

（三）功率耗散和热考虑

1. 充电器功率耗散：在高温环境和最大电流充电及负载条件下，ADP5061的结温可能会达到最大允许工作极限125°C。当结温超过140°C时，充电器将关闭，直到温度降至110°C以下并清除TSD 140°C故障位后才会恢复正常操作。可通过计算输入LDO FET和电池隔离FET的功率耗散来确定总功率耗散，以便评估充电器的工作状态。
2. 结温计算：如果已知电路板温度TA，可以使用热阻参数θJA来估算结温上升。对于WLCSP设备，应尽可能从每个载流凸点（VINx、ISO_Sx和ISO_Bx）散热，例如在这些引脚附近放置热过孔到电路板电源平面。

四、工厂可编程选项

ADP5061提供了丰富的工厂可编程选项，包括默认终止电压、默认快速充电电流、默认充电结束电流、默认涓流到快速充电阈值、默认系统电压、热敏电阻电阻值、热敏电阻β值等。不同的型号在这些选项上可能存在差异，工程师可以根据具体应用需求进行选择。

五、总结

ADP5061是一款功能强大、性能出色的单节锂电池充电器，其丰富的特性和灵活的编程功能使其适用于各种便携式设备。在设计过程中，工程师需要根据具体应用需求合理选择外部组件、进行PCB布局，并考虑功率耗散和热管理等因素，以确保充电器的稳定运行和电池的安全充电。你在实际应用中是否遇到过类似充电器的设计挑战呢？欢迎在评论区分享你的经验和见解。