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电池从0V开始充电出现概率性无法开机问题原因及解决方案分享 GR551x

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2023-05-11 17:50

当电池电量耗尽后 & 输出为0V时,此时接上充电器,会有概率无法开机。原因及解决方案说明如下:

1. 问题原因

通常情况下,GR551x CHIP_EN默认接到VBATL电源上,通过RC延时电路进行复位延时,达到上电时序要求如图1为GR551x上电时序图。

图1:GR551x上电时序曲线图

当GR551x在手表手环等电池供电的应用中,搭配使用不带路径管理的charger,在电池放电到0v(长期的船运或仓储电池自放电导致)后,再次进行充电,会出现GR551x无法开机,产品无法使用的情况。

图2:不带路径管理charger 0v充电电路无法启动风险设计框图

具体原因为电池放电至0v后进行充电,VBATL与CHIP_EN在涓流预充电过程中缓慢上升,VBATL电压等于CHIP-EN电压,在VBATL / CHIP_EN到达1v后,系统复位完成。当VBATL 电源到达1.45v附近POR释放,系统开始启动。此时IO-LDO-OUT只有1.45v,内部flash 无法正常工作,导致系统无法开机。

图3:GR551x 0v 充电异常无法启动时曲线图

2.解决方案

解决方案一:选择带路径管理的charger

如下使用带路径管理 charger的时候,当系统开始充电(通常为USB 输入),USB端口供电通过Qbypass 及Qrvs路径给到SYS 输出供电,同时Qswitch 控制电池充电,即做到了充电路径及系统供电独立管理。当充电开始时,SYS 会瞬间提升到预设电压,对于GR551x VBATL 会瞬间达到工作电压以上,CHIP_EN 会由于RC 的存在进行充电,满足上电时序,可正常工作。

图4:带路径管理的charger应用图

-路径管理:

在没有焊接电池或者电池电压为0v时候,charger外部接入电源,Vsys依然会有电压而且通常可以编程控制Qbypass 或Qrvs输出电压大小给SOC供电,同时控制Qswitch输出给电池充电。

—动态路径管理:

增加Qswitch体二极管控制开关,当Vin的带载能力下降时候,若system load负载突然增加,Vin输入电流不足以供给system load,则charger控制Qswitch体二极管打开,让BAT和Vin同时给System load供电,保证SYS电压稳定。

如下图动态路径管理事件, Vin提供的最大电流固定,charger会动态分配Isys的电流和Ibat的电流,当Isys电流逐渐增大,给电池的充电电流会随着Isys的增大逐步减小。当Isys达到一定值导致Vsys电压跌落到预设值,则停止给电池充电,让电池和Vin一起提供电流给System load稳定Vsys电压。

图5:Charger动态路径管理事件示意图

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汇顶员工
2024-06-06 17:03

解决方案三:控制LDO 使能

通常设计中,电池通过LDO转换成恒定的3.3v 给GR551x供电,对于部分LDO 带有使能控制引脚,且使用无路径管理的charger,可通过控制LDO的的使能,在电池电量达到预设值(系统可正常工作)后开启LDO,系统进行正常启动。

1. 使用P MOS控制LDO EN

如图9所示,当系统充电时, Vg电压由Ra、Rb分压决定,Q2 Vs电压为电池电压,随充电进程逐渐升高,当电池电压升到满足Vgs导通值后,Q1导通,LDO EN电压等于Vbat,此时LDO工作,GR551x正常启动。

若配置Rc=Rd,即Vg 电压设置为2.5V,则0v充电时MOS管打开的条件为:Vbat ≥ 2.5V+|Vgs(th)|。

充电时Q2状态及CHIP_EN电压:

• Vbat <2.5V+|Vgs(th)|时,Vgs未到开启阈值电压,PMOS处于截止状态,CHIPEN=0;

• Vbat ≥2.5V+|Vgs(th)|时候Vgs达到开启阈值电压,PMOS处于导通状态,CHIPEN=Vbat电压。

图9:通过MOS管控制LDO EN 的示意图

当系统正常工作未充电时,USB 无电源提供,Q2 Vg电压由下拉电阻Rd决定即0v,MOS处于导通状态,LDO EN等于电池电压。

电压计算参考如下:

Vg=Vusb * Rb / (Ra + Rb)

部分器件选型参考:

Q1Vgs(th)Id(uA)Rds(on) @Vgs=-2.5VFootprint ReferenceVendor
CJBB3139K>-0.35V @ typical-0.66780 mΩDFN1006-3L-AJSETPMOS
NTK3139P>-0.45V @ typical-1520 mΩSOT-723ON SemiconductorPMOS

备注说明:

Q1 为P MOS;

Rc、Rd阻值可根据Q2 参数进行调整;

Re建议预留,配置LDO初始状态。若Re贴片,Re会有漏电流 I=Vbat/Re,会增加系统功耗。

2. 使用电阻分压控制LDO EN

如图10所示,当系统充电时,LDO EN电压由R5、R6分压决定,随充电进程电池电压逐渐升高,当R5、R6分压值达到LDO EN 阈值后,此时LDO开启,GR551x正常启动。

R5、R6分压要根据LDO EN 电压来合理选择,同时保证系统启动时满足电池及charger的带载能力。

图10:通过电阻分压控制LDO EN 的示意图

备注说明:

R5、R6上拉电源为电池,会产生静态电流I=BAT/(R5+R6),系统功耗增加,需合理选择电阻值以满足系统功耗要求。

不同LDO 的使能电压点不同,R5、R6 需要根据不同的LDO进行合理选择。

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2023-05-11 17:54

解决方案二:搭建电源管理路径

若charger不带路径管理,如下图所示参考,可通过增加外部电路达到路径管理的目的。

图6:不带路径管理charger 充电优化方案

—未充电等效电路:

在不充电时,电池通过Q1体二极管导通至LDO输入端,提供给Vs 高电压,同时Rb下拉即Q1 Vg电压为0v,Q1完全导通。电池为后级系统如LDO供电, D1形成防反二极管,防止漏电。

图7:未充电时电池供电等效路径

—充电时等效电路

在充电时,USB供电通过D1(假定0.7v压降)二极管后直接输出给系统如LDO 供电。Q1 Vg通过Ra、Rb(假定Rc=4.7kΩ、Rd=47KΩ)分压为4.54v,Q1 Vs电压通过D1二极管形成的压降为4.3v,此时Vgs 为0.24v ,Q1处于截止状态,电池处于充电状态,不会进入放电状态。

在电池充满时,Vsd为0.1v ,Q1内部二极管也无法导通,Q1仍处于截止状态,电池也无法给系统供电。系统供电由外部USB电源提供。

图8:充电及充满时供电级充电路径

电压计算参考如下:

Vg = Vusb * Rb / (Ra+Rb) = 4.54v

Vs = Vusb – Vdiode = 4.3v

Vd = Vbat = 4.2v (Max)

Vgs = Vg - Vs = 0.24v

Vsd (min) = Vs – Vd (Max) = 0.1v

部分器件选型参考:

Q1Vgs(th)Id(uA)Rds(on) @Vgs=-2.5VFootprint
Reference
Vendor
CJBB3139K>-0.35V @ typical-0.66780 mΩDFN1006-3L-AJSETPMOS
NTK3139P>-0.45V @ typical-1520 mΩSOT-723ON SemiconductorPMOS


D1VfIrFootprint ReferenceVendor
1N4148WT0.715V @ typical1uA @Vr =75 vSOD-523DIODES
BAS7160.77V @ typical5nA @Vr =75 vSOT-523NXP

备注说明:

D1为二极管,根据系统供电要求合理选择合适压降的二极管;

Ra、Rb阻值根据Q1 参数进行调整;

Ra 也可以配置成0R 或短路连接,节省一颗物料;

USB充电适配器电流带载能力大于系统电流与充电电流之和。

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