BQ25504芯片解析

根据TI官网给的关于BQ25504这款芯片的主要特性，总结可以分为以下三点

1. bq25504 器件可以用于智能集成能量采集毫微功耗管理，适合超低功耗应用。其设计始于仅需微瓦功率即可开始工作的 DC-DC 升压转换器/充电器。可对光伏（太阳能）发电机或热电发电机等各类直流源中生成的微瓦 (µW) 到毫瓦 (mW) 级功率进行采集和管理。bq25504 在同类器件中率先实现了针对具有严格电源和运行要求的产品和系统（例如，无线传感器网络 (WSN)）的高效升压转换器/充电器。 升压转换器可通过低至 330mV 的 VIN 启动，启动之后，可依靠低至 80mV 的 VIN 继续采集能量。
2. bq25504 还实现了一个可编程的最大功率点跟踪采样网络，以优化对器件的功率传输。 VIN_DC 开路电压采样通过外部电阻进行编程，并由外部电容 (CREF) 保持。例如，对于最大功率点为 80% 开路电压的太阳能电池，可将电阻分压器设置为 VIN_DC 电压的 80%，此时该网络会将 VIN_DC 控制在采样的基准电压附近。 或者，也可以通过微控制器 (MCU) 提供外部基准电压，以产生一个更为复杂的 MPPT 算法。
3. 为了防止储能元件造成损坏，器件将参照用户编程的欠压 (UV) 和过压 (OV) 电平来监视最大电压和最小电压。当储能电池或电容中的电压降至预设临界值以下时，bq25504 会切换电池正常状态标志，并将其发送给与之相连的微处理器。 该警告信号应触发负载电流下降，从而防止系统进入欠压状态。 OV、UV 和电池正常阈值均单独进行编程。

总体而言就是具备通过超低功率能源进行冷启动，具备可编程动态MPPT以及可编程欠压、过压阈值设置。这些特点使得设计微型环境能量采集器件（主要是针对包括传统太阳能及其他微型环境能源如热能，运动能甚至电磁波能源采集系统）设计成为可能。

电气特性

关于输入电压手册中分为两个阶段，一个是在冷启动阶段，输入电压范围在330-450mV，而冷启动结束后输入电压范围放宽至130mV~3V。输入电流范围在200~300mA之间，输入功率则在0.01至300mW。这也就标明了该芯片所能承受的最大采集功率在300mW.对于可再充电池接口VBAT，手册建议工作电压在2.5V至5.25V之间。而且VBAT漏电电流仅为1~5nA，适用于小电流采集系统。

关于冷启动与正常工作两个阶段，主要通过VSTOR端口电压是否高于1.8V（VSTOR_CHGEN）来区分。根据手册描述，如果VBAT接入一个保存部分电压的电池，芯片直接进入正常工作阶段，这样就能采集最小VIN(DC)=130mV 的能量。而如果芯片启动时，VSTOR=VBAT < 100mV，则进入冷启动阶段，此时需要至少330mV的输入电压VIN(CS)，并且将VSTOR充电至1.8V，结束冷启动阶段。

最大功率点跟踪（MPPT）

主要原理是Boost Converter通过调节充电器的输入电压VIN_DC间接调制输入阻抗，并将采集参考电压存储在VREF_SAMP上。MPPT电路每16秒中断充电256毫秒，用来采集一定比例（通过分压的方式）的开路电压（VOC）大小。因为对于太阳能最大功率点一般在70%到80%的开路电压，而对于热能（TEG）而言，最大功率点在50%的开路电压。

对于VREF_SAMP的参考电压除了通过固定分压方式获得以外，也可以通过外部参考电压获取（动态调整成为可能？）。

过压与欠压保护（OV & UV Protection）

功能不用再阐述了，直接上公式

对于Rov1+Rov2不超过10M欧姆，同样Ruv1+Ruv2也不超过10M欧姆。

对于过压与欠压的设定阈值是这样定义的：

UV threshold	VBAT降低	VBAT_UV
UV threshold	VBAT升高	VBAT_UV+VBAT_UV_HYST
OV threshold	VBAT降低	VBAT_OV+VBAT_OV_HYST
OV threshold	VBAT升高	VBAT_OV

VBAT_UV_HYST及VBAT_OV_HYST主要起到中间过渡缓冲的作用，防止在阈值附近振荡。

注意，当 VIN_DC>VSTOR>VBAT_OV时，VIN_DC连接的P_MOS会将VIN_DC直接接地，为了防止短接需要保证接入采集源内阻大于20欧姆。

正常工作电压范围设定（VBAT_OK）

除了过压与欠压保护以外，芯片也可以指定一个正常工作电压范围，并通过VBAT_OK端口输出给外接芯片。这个范围也是主要通过外部分压电路连接至VBAT_PROG以及VBAT_OK_HYST接口，公式如下：

VBAT下降时，VBAT_OK阈值

VBAT上升时，VBAT_OK阈值

同样要求ROK1 + ROK2 + ROK3 < 10 MΩ.

整个阈值范围及正常工作电压范围如下图：

PCB布板

太阳能能源接入方式

BQ25504每16秒中有256毫秒来采集开路电压，这个间隔应该足以给太阳能内部电容（Ccell）及板载电容（Cboard）来充电。太阳能充电的等效电路如下：

根据暂态分析可以得出在T=256ms时，

其中

并且，

得到

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References

1. bq25504 面向能量采集器应用的具有电池管理功能的超低功耗升压转换器, Texas Instruments, October 2011, Revised June 2015.

2. bq25504 EVM – Ultra Low Power Boost Converter with Battery Management for Energy Harvester Applications, Texas Instruments, October 2011, Revised October 2011.

3. bq25504 Optimization of MPPT Algorithm, Texas Instruments, March 2012.

4. Self-Powered, Ambient Light Sensor Using bq25504, Texas Instruments, January 2012, Revised September 2013.

5. Measuring Efficiency of the bq25504 Energy Harvesting Battery Charger, Texas Instruments, July 2013.