基于BQ24610的24V锂电池充电板设计：从原理图到PCB调试全记录

这段时间我重新整理了工作室里那台移动底盘的电源方案原来的傻充实在不让人省心24V 锂电组被充鼓包过一次之后我决定自己画一块基于 BQ24610 的 24V 电池充电板。先说结论这块板做出来之后恒流段的充电纹波比原来的傻充小了很多充电电流稳定整板温升可控而且充电电压可以根据不同电池组随时调整。我现在手上经常轮换使用的是 6 串磷酸铁锂和 5 串三元锂一个充电截止电压 21.9V一个 21VBQ24610 这个芯片在同一块板上都能覆盖。下文把方案选型、原理图设计、画板布局、调试实测和踩坑过程完整记录下来给准备做类似充电板的朋友做个参考。1. 项目概述与设计思路1.1 BQ24610 到底是一颗什么芯片BQ24610 是 TI 推出的一款同步降压充电管理控制器针对多化学体系的锂电池设计。它最大的特点是功率管外置不像 TP5100 这类把 MOSFET 做在芯片内部的方案功率大小完全由你自己选的外置 MOS 决定发热也可以分散到 PCB 和大面积铜皮上。它的输入电压范围大约在 5V 到 28V电池充电电压上限能做到 25V 左右所以对民间常说的24V 电池组来说非常契合。所谓 24V市场上并不特指某一种电池常见的是 6 串磷酸铁锂满电 21.9V、5 串三元锂满电 21V以及 6 串三元锂满电 25.2V。BQ24610 对前三者的电压覆盖非常完美对 6 串三元锂需要把输入电压抬到 27V 左右也还在芯片的绝对最大额定范围内。BQ24610 是纯硬件配置的芯片不需要写程序通过外部电阻分压设定充电电压、充电电流、预充电流、终止电流还有安全定时器。对很多做硬件的人而言这是优点因为不用单片机去初始化插电就能用但它也不是完全没有门槛外部功率级的参数计算和 PCB 布局比集成 FET 方案要更讲究稍不注意就会出现电流上不去、芯片发烫之类的问题。1.2 这块充电板的应用场景我做的这块 24V 电池充电板最开始是为了移动广告机器人底盘改的后来发现它在好几个场景都能用AGV 小车的磷酸铁锂电池组、户外 24V 储能箱、自制的电动工具电池包、改装电动车副电池等。凡是要给额定电压 24V 左右的锂电组充电且手头有 24V 直流电源的场合都可以用它。设计目标很简单输入接一个标准的 24V 开关电源或可调直流源输出按电池组的满电电压来恒流恒压充电。默认配置我先做成了 6 串磷酸铁锂也就是充电电压 21.9V恒流 3A。后续如果换电池组只需要改两个分压电阻或者在分压电阻上并联电位器临时调出来。这块板不需要隔离因为输入端本来就是低压直流只要保证输入电源的纹波别太离谱普通 24V 适配器加一些电容就能满足要求。如果是在工业现场用建议输入端再串一个自恢复保险并且在板子上留好 TVS 二极管的位置防止电源反接或者浪涌打坏芯片。1.3 技术指标和方案取舍我先把这块板的目标参数列出来这样后面讲计算和调试时才不会漫无目的。项目参数说明输入电压21V~28V常用 24V 直流电源充电电压21.9V 可调面向 6 串磷酸铁锂恒流充电电流0~4A 可配置默认 3A预充电流0.3A~0.6A电池电压过低时小电流恢复终止电流0.3A~0.5A恒压段电流下降后转灯安全定时器可配置防止异常情况下长时间充电指示灯充电中/充满ST1、ST2 引脚驱动方案选型时我也考虑过其他几种这里给后来的人一个对比。方案优点缺点适不适合本项目TP5100 或同类集成 FET 充电芯片外围简单成本低输入耐压、电流、电压范围受限不合适24V 应用容易超压开关电源恒压模块加恒流板便宜灵活需要两级电路效率低充电曲线不好控制不太推荐BQ24610 外部 FET 方案参数可调范围大效率高发热分散设计难度高PCB 布局要仔细方案一选就是它关键点在于24V 电池的充电电压已经接近很多集成充电芯片的上限硬要用 TP5100 这类芯片容易在输入电压偏高时直接损坏或者功率不够导致芯片烫到怀疑人生。BQ24610 把功率管外置以后发热被转移到 PCB 和大面积散热焊盘上对长时间充电这种场景更稳妥。2. 电路与参数计算详解2.1 充电电压设置电阻分压怎么算BQ24610 的充电电压不是靠电位器拧出来的而是通过电池正极到 VFB 引脚的分压电阻来设定。内部参考电压是固定的我们只需要让电池充满时的电压对应到 VFB 引脚的电平即可。分压关系就是标准公式Vfb Vbat × Rbottom / (Rtop Rbottom)反过来选电阻时一般先定 Rtop 的阻值通常在 100kΩ 到 200kΩ 之间。阻值太小分压支路电流大浪费功耗阻值太大VFB 引脚的输入漏电流会带来误差所以取中间值比较稳妥。我之前做 6 串磷酸铁锂目标充电电压 21.9V用了一个 200kΩ 的上分压电阻。根据数据手册给出的参考电平反推下分压电阻选了一个普通贴片 1% 精度的电阻。这里特别建议分压电阻一定不要用 5% 精度的碳膜电阻温度系数大充电截止电压会飘。我习惯用 1% 甚至 0.5% 的薄膜电阻或者直接上低温漂电阻。在设计时还要注意分压电阻的采样点应该直接从电池组的正极取不要从板上的功率输入正极取否则走线上的压降会让充电电压虚高。尤其是 3A 以上电流时PCB 走线哪怕只有 0.1Ω 的电阻都会造成几十毫伏到几百毫伏的偏差严重时电池根本充不满。2.2 充电电流设置与检流电阻BQ24610 的充电电流通过检流电阻上的电压降来反馈。检流电阻串在电池负极回路里低端采样芯片通过 SRP 和 SRN 两个引脚检测压差。内部电流环路的参考值大约是 40mV这意味着如果我们取 10mΩ 的检流电阻理论最大恒流充电电流就是 4A取 20mΩ 时就是 2A。这个关系特别直接Icharge ≈ 40mV / Rsense设计时我按 3A 恒流来选所以检流电阻取 15mΩ 左右比较合适。15mΩ 不是标准阻值实际电路里我用的是两只 30mΩ 的贴片合金电阻并联等效 15mΩ电流采样依然准确。这里有个新手容易踩的坑检流电阻上流过的电流很大如果用普通贴片电阻阻值会随温度明显漂移热起来以后充电电流自己就变了。一定要用合金电阻、锰铜电阻这类低温度系数的采样电阻并且按 I²R 计算好功耗。3A 电流在 15mΩ 电阻上的功耗大约为 0.135W看起来不大但如果是 10A 设计功耗就有 1W 以上必须留好散热铜皮。检流电阻的 PCB 走线也有硬性要求SRP 和 SRN 必须用细线从电阻两端单独引出做成开尔文接法不能直接趴在功率走线的焊盘上否则功率电流在走线上的压降会被叠加进采样信号造成电流误差。2.3 功率级选型与开关频率BQ24610 是高侧和低侧都外置 N 沟道 MOSFET 的同步降压结构选管主要看三个参数耐压、导通电阻、栅极电荷。耐压方面虽然输入最高 28V但我建议直接选 40V 耐压的 MOSFET留足裕量防止上电瞬间振铃击穿。导通电阻 RDS(on) 要选尽量小的毕竟充电电流会持续几个小时导通损耗是发热的大头。我选了 40V、典型 RDS(on) 在 10mΩ 级别的逻辑电平 MOSFETVgs 在 4.5V 左右就能完全导通配合 BQ24610 的驱动能力刚好。电感的选择也关键。BQ24610 的开关频率可以通过 RT 引脚电阻设定一般工作在 600kHz 左右。电感量估算可以按 buck 电路的经典公式来L (Vin - Vbat) × Vbat / (Vin × f × ΔIL)其中纹波电流 ΔIL 一般取输出电流的 30%~40%。以 24V 输入、21.9V 输出、3A 充电电流、600kHz 频率计算理论感量大概在 6.8μH 到 10μH 之间。实际我选了 10μH 的电感饱和电流按 5A 以上选确保在 3A 恒流时电感不会进入饱和区。电感饱和后电流会突然增大MOSFET 和芯片都容易出问题。同步降压的下管负责续流低边 MOSFET 的体二极管反向恢复特性也要关注。BQ24610 有自适应的死区控制正常使用没问题但高频下如果用了一个反向恢复很差的 MOSFET效率会掉得比较明显。BOM 里我直接选了开关速度较快的 Nexperia 逻辑电平管整板满载效率实测在 90% 以上。2.4 预充、终止电流、定时器和辅助电路BQ24610 相比简单充电芯片更让人放心的地方是它的完整充电状态机。电池电压过低时它不会直接大电流硬充而是先进入预充阶段用一个很小的电流把电池电压抬起来。预充电流可以通过外围电阻配置我设了大概 0.5A。这样遇到真正过放的电池也能比较温柔地救回来。进入恒压段后电流会逐渐下降。当充电电流小于设定的终止电流并稳定一段时间后芯片判定充满通过 ST1、ST2 引脚输出状态信号驱动 LED 转灯。终止电流设得太大会提前转灯设得太小会导致长时间涓流拖尾我实际设了 0.4A 左右对 6 串铁锂来说比较平衡。安全定时器也必须做千万别省。BQ24610 通过一个电容设置最长充电时间比如 5 小时。万一电池内部出现微短路或者某个电芯损坏充电电流一直达不到终止条件定时器到点后芯片会强制关断避免事故。为了这个功能在设计时我在 TTCAP 引脚加了一个定时电容并按数据手册推荐值选容量。这个电容不能乱用高漏电的否则定时时间会明显偏短。3. 从画板到样板的全流程实操3.1 原理图落地时的几个细节原理图不是光把芯片引脚接上就行有几个细节决定后期好不好用。输入口我加了一个自恢复保险丝额定电流比最大充电电流高 1.5 倍左右防止电池反接或者输出短路时把电源和 PCB 一锅端。输入极性接反是新手最容易犯的错误BQ24610 本身有一定的防反能力但我更信赖前面加一个 P 沟道 MOSFET 或者保险丝把风险直接掐断。另外充电板上电瞬间输入电容充电会产生很大的浪涌电流如果电源是弱一点的稳压源电压会被瞬间拉低芯片可能启动异常。我在输入端放了 47μF 电解电容和 1μF 陶瓷电容并联两者互补高频和低频特性。陶瓷电容尽量选 X7R 或 X5R 材质不要选 Y5V否则直流偏压下容量会掉得很厉害。电池输出端也要留一个 0.1μF 的陶瓷电容靠近电池连接器放置吸收电池线束上的高频噪声。充电电压采样分压电阻的滤波电容同样不能省我用了一颗 1nF 的 NP0 电容并联在分压电阻下端滤掉开关噪声对 VFB 引脚的干扰。3.2 PCB 布局经验功率回路和底线问题这是整个项目里我认为最重要的一环。BQ24610 这类外部 FET 的 buck 电路如果布局不好调试时会冒出一堆奇怪问题比如带载能力差、EMI 高、芯片误动作。首先是功率回路要尽量缩小。高边 MOSFET、低边 MOSFET、电感、输出电容这四个元件形成的开关回路面积越小寄生电感就越小电压尖峰就越低。我在布局时把输入电容放在高边 MOSFET 的漏极和低边 MOSFET 的源极之间形成一个紧凑的电流环这是 buck 电路布局的第一原则。其次是 SRP/SRN 的采样线。检流电阻两端的采样线必须单独走线宽不需要大但一定要从电阻焊盘内侧引出并且两条线并行走最好加地线屏蔽。绝对不能把采样线和大电流走线共用一段铜皮否则采样到的不是电阻上的压降而是整段功率走线加电阻的压降充电电流会严重偏差。芯片底部焊盘要大面积接地并且打过孔到背面地平面帮助散热。外置 MOSFET 的散热同样靠 PCB 铜皮每个 MOSFET 的漏极或源极根据封装要留出足够大的焊盘。我用的是 SOP8 封装的 MOSFET每个管的铜皮面积至少留了 3cm²实测温升在可接受范围内。如果你用的是双面板底层要尽量铺地。但注意底层地不要被功率走线切成碎块否则回流路径变得很长EMI 会明显上升。芯片的 GND 引脚和功率地之间我在靠近芯片处做了单点连接避免数字小信号地直接串进大电流地回路。3.3 打样和焊接时的注意事项板子打样回来后先别急着焊芯片。用放大镜或者微距镜头检查一遍 PCB 的过孔、丝印和走线间距确认没有短路和断线。BQ24610 常见封装是 QFN 或者 TSSOP引脚间距小焊接时最怕连锡。我焊这种芯片一般先在焊盘上均匀上一层薄锡再涂助焊剂用热风枪吹上去。温度不要太高350℃ 左右就够了吹完用酒精清洗助焊剂残留。焊接顺序是先焊电源部分的电容电阻再焊芯片和 MOSFET最后再焊检流电阻和分压电阻。检流电阻一定要等所有大电流路径焊完后再上因为它是采样原件焊盘受热时间过长可能导致阻值偏移。MOSFET 焊接要防止静电损伤。虽然现在的逻辑电平 MOSFET 抗静电能力比以前强但冬天干燥环境下还是尽量戴防静电手环或者用接地烙铁。如果烙铁不是三脚接地型最好先让烙铁头接触一下 PCB 的地焊盘放掉静电再开始焊。4. 调试记录与实测数据4.1 上电前的冷启动检查样板焊好后我没急着接电池而是先做了一次完整的冷启动检查。第一步用万用表蜂鸣档测输入正负极之间、电池正负极之间是否有短路。这一步能避免很多低级事故。第二步不接电池只给板上输入口通电用可调电源限流 100mA 慢慢往上加电压。正常情况下静态电流只有几毫安主要是芯片和分压电阻的功耗。如果电流直接飙到几百毫安说明有贴片电容焊反或者芯片电源引脚短路。第三步用示波器看芯片 VCC 引脚的电压纹波确认启动过程没有严重的振荡。都正常后我才接上一组电压比较低的 6 串磷酸铁锂电池然后把输入电压慢慢升到 24V。这时候充电板应该进入预充或者恒流充电阶段LED 亮起充电电流逐渐建立。4.2 恒流段与恒压段实测下面是我用电子负载模拟电池以及用真实电池组实测记录到的两组数据。测试条件设置值实测值输入电压24.0V23.98V恒流目标3.0A3.02A恒压目标铁锂21.9V21.93V预充电流约0.5A0.51A终止电流约0.4A0.38A最高开关节点电压尖峰—不超过 30V恒流段的电流稳定度很好整个充电过程中电流波动在 0.1A 以内。恒压段转灯后电池电压会缓慢回落到 21.5V 左右这是磷酸铁锂平台电压的正常表现不是充电板故障。我最关心的开关节点电压尖峰用示波器探头直接量 PH 引脚和地之间尖峰控制在 30V 以下说明 MOSFET 和布局算是比较健康的。如果尖峰超过 35V就要考虑加 RC 吸收或者重新调整功率回路了。4.3 温升和效率摸底25℃ 室温下充电板以 3A 电流连续工作 1 小时后我用红外测温枪测了几个关键点。器件温度高边 MOSFET61℃低边 MOSFET55℃电感58℃BQ24610 芯片壳体42℃检流电阻48℃这个温度在可接受范围内说明外置 MOSFET 的散热设计是对的。如果 MOSFET 温度超过 85℃就要检查是不是驱动不足导致开关损耗过大或者电感饱和了。效率方面输入 24V、输出 21.9V、3A 条件下实测输入功率约 77W输出功率约 66W转换效率在 90% 左右。同步整流结构确实比二极管整流的效率高不少这也是我坚持用 BQ24610 的原因之一。5. 常见问题与排查技巧实录5.1 充电电流上不去这个现象太常见了我一开始调试时也遇到过。明明设定 3A实际电流只有 1A甚至只有 0.5A。排查思路先从检流电阻开始。用万用表毫伏档量 SRP 和 SRN 之间的电压如果电压已经达到内部参考值说明电流环在正常工作问题出在设定电阻或者检流电阻本身。如果实测电流低于设定值大概率是检流电阻阻值偏大或者检流电阻的焊盘上有多余的锡桥。还有一个容易被忽略的是输入限流。BQ24610 本身也会监测输入电流如果输入电源的限流点设置得太低充电电流会被整体拉低。我测试时习惯把直流电源限流调到 5A 以上让充电板自己说了算。如果充电电流忽大忽小地抖动多半是反馈环路不稳定。检查一下 VFB 引脚的滤波电容是不是太大把带宽压没了或者是电感量选得和输出电容不匹配。BQ24610 的环路补偿引脚有对应的补偿阻容需要按照数据手册的取值来不要随意加大电容。5.2 发热太严重充电板发热主要集中在 MOSFET 和电感上。MOSFET 发热大先看驱动电压够不够逻辑电平 MOSFET 在 Vgs 4.5V 下应该能完全导通但如果买到了普通电平的 MOSFET驱动不足就会工作在放大区导通损耗非常恐怖。电杆发热大的话多半是饱和了。拿示波器探头放到开关节点如果看到电流上升阶段出现明显的非线性弯曲那就是饱和。解决办法是换一个饱和电流更大的电感或者提高开关频率来降低纹波电流。还有一个原因是开关频率设置得太高。BQ24610 虽然支持较高的频率但频率越高开关损耗越大。对 3A 充电板来说600kHz 左右比较折中。如果你把频率设到 1MHz 以上MOSFET 的 Qg 损耗和驱动损耗都会显著上升发热自然就上来了。5.3 充电截止电压不准、提前转灯电池还没充满充电板就转灯了这是分压电阻精度不够或者采样位置不对的典型表现。如果实测转灯电压比设定值低了超过 0.1V检查分压电阻是不是用错了阻值或者电阻温漂太大。充电过程中板子发热靠近功率区的电阻温度会升高普通电阻阻值漂移后反馈电压就会波动。我后来把分压电阻换成了低温漂电阻这个问题明显改善。另一个重要检查点是采样线是否走了功率路径。如果 VFB 的采样点是从 PCB 上靠近电池接口的大铜皮取的而这个铜皮同时承担了充电电流回流那么大电流下的铜皮压降就会叠加到采样信号里导致芯片提前认为电池电压到了。正确的做法是采样点应该单独飞线到电池正极附近或者在电池连接器处直接引出。5.4 问题速查表现象可能原因处理方式上电无反应输入保险丝断防反接 MOS 接反检查保险丝和极性充电电流偏低检流电阻偏大输入限流核对阻值调高电源限流充电电流偏高检流电阻偏小地线采样不准确更换电阻整改开尔文走线转灯电压偏低分压电阻温漂采样点不对换低温漂电阻改采样飞线MOSFET 烫驱动不足开关频率过高换逻辑电平 MOS降频电感啸叫环路不稳定电感饱和调整补偿阻容换饱和电流更大的电感指示灯乱闪充电参数设置异常电池接触不良巡视预充和中止设置检查连接器最后再分享一个小技巧调试充电板时我习惯在检流电阻两端并联两个临时测试点一个接万用表测压降一个接示波器看动态波形。这样能同时看到直流电流和纹波电流的情况定位问题会快很多。等参数全部确定以后再把测试点去掉改成正常的开尔文走线这样量产板就不会因为多了两个测试点而引入干扰。做电源类 PCB 就是一个不断和细节较劲的过程这些看起来不起眼的操作往往能帮你避开最大的坑。