SGM41573：高性能I2C NVDC Buck-Boost充電控制器解析

在當今的電子設備領域，電池充電技術的發(fā)展日新月異，尤其是對于便攜式設備，高效、穩(wěn)定且功能豐富的充電控制器至關重要。SGM41573作為一款同步Buck - Boost電池充電控制器，具備NVDC電源路徑管理功能，為1至4節(jié)電池的充電應用提供了高效且低元件數量的解決方案。下面，我們就來詳細探討一下這款充電控制器的特點、工作模式、寄存器配置以及應用設計要點。

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一、SGM41573的特性亮點

1. 多類型輸入充電

SGM41573支持多種輸入類型為1至4節(jié)電池充電，輸入工作電壓范圍為3.58V至24V，涵蓋了USB 2.0/3.0/3.1 (Type - C)/USB PD等常見輸入源。它還能實現無縫的Buck ? Buck - Boost ? Boost轉換，同時具備輸入過載保護功能，確保充電過程的安全穩(wěn)定。

2. 全面的監(jiān)測功能

該控制器提供CPU節(jié)流、電源和電流監(jiān)測功能，包括完整的nPROCHOT配置文件、輸入電流監(jiān)測、電池充放電電流監(jiān)測以及系統(tǒng)功率監(jiān)測，讓用戶對充電過程和系統(tǒng)狀態(tài)了如指掌。

3. NVDC電源路徑管理

NVDC電源路徑管理是SGM41573的一大特色。它支持在電池耗盡或無電池的情況下實現即時開機，并且在適配器滿載時可由電池進行補充供電。在補充模式下，還具備BATFET理想二極管仿真功能，提高了電源利用效率。

4. USB OTG功能

支持從電池為USB端口供電（USB OTG），OTG輸出電壓可在3V至20.56V之間調節(jié)，分辨率為8mV，輸出電流限制最高可達6.35A，分辨率為50mA，滿足了多種設備的供電需求。

5. 其他實用功能

此外，SGM41573還具備直通模式（PTM）以提高效率、(V_{IN}) 主動保護（VAP）模式、輸入電流優(yōu)化器以最大化功率提取、800kHz或1.2MHz可選的開關頻率、I2C接口實現靈活的系統(tǒng)配置等功能。同時，它還集成了ADC用于電壓/電流/功率監(jiān)測，具有低電池靜態(tài)電流和高精度的特點，并且在安全方面提供了熱關斷、輸入/系統(tǒng)/電池過壓保護以及輸入/MOSFET/電感器過流保護等功能。

二、工作模式與工作流程

1. 電源啟動模式

• 僅電池供電啟動：當只有電池且 (V{BAT }>V{VBAT_UVLOZ }) 時，BATFET導通，將電池連接到系統(tǒng)。默認情況下，充電器以低功耗模式啟動，主機可通過I2C將其切換到性能模式，在性能模式下，可啟用IBAT緩沖區(qū)、PSYS、nPROCHOT和獨立比較器等功能。
• 直流電源啟動：連接直流電源后，首先檢查輸入電壓，設置輸入電流限制，然后啟動LDO和偏置電路。具體的啟動順序為：當 (V{BUS}) 超過 (V{VBUS_CONVEN}) 50ms后，啟用5.6V LDO并拉高CHRG_OK；進行劣質電源檢測；設置輸入電壓和電流限制；讀取CELL_BATPRESZ引腳電壓以確定電池配置；最后啟動轉換器。

2. 充電與供電模式

• 正向模式：當合格的輸入源連接到VBUS時，設備進入正向模式，調節(jié)系統(tǒng)輸出并為電池充電。通過NVDC架構，即使電池完全耗盡，VSYS也能被調節(jié)到高于最小系統(tǒng)電壓。電池充電采用恒流（CC）和恒壓（CV）模式，主機可通過配置ChargeCurrent寄存器和MaxChargeVoltage寄存器來設置充電電流和電壓。
• USB OTG模式：支持USB OTG功能，可將電池的電力傳輸到連接到USB端口的其他便攜式設備。開啟OTG模式需要滿足一定條件，如VBAT不會導致SYSOVP觸發(fā)、設置OTG輸出電壓和電流等，滿足條件10ms后，轉換器開始從電池生成OTG輸出，VBUS上升到目標電壓。
• 直通模式（PTM）：在輕負載或系統(tǒng)處于睡眠模式時，可將充電器切換到直通模式，此時Buck - Boost的上開關導通，下開關斷開，將系統(tǒng)直接連接到電源，避免了開關和電感的核心損耗。進入和退出PTM模式需要進行相應的寄存器設置，并且在某些故障條件下，設備會自動退出PTM模式。

3. 保護模式

• 輸入過壓保護（ACOV）：當 (V_{BUS}) 超過ACOV閾值時，認為適配器過壓，此時禁用轉換器并拉低CHRGOK，當 (V{BUS}) 恢復正常時，轉換器自動恢復工作。
• 輸入過流保護（ACOC）：如果輸入電流超過ACOC閾值，轉換器停止切換，250ms后重試。
• 系統(tǒng)過壓保護（SYSOVP）：根據CELL_BATPRESZ引腳設置SYSOVP閾值，當系統(tǒng)過壓時，轉換器鎖定關閉，可通過寫入0或重新插拔適配器來清除鎖定。
• 電池過壓保護（BATOVP）：當電池過壓時，Buck - Boost停止切換，VSYS引腳開始吸收電流，直到 (V_{BAT}) 降至規(guī)定電壓的102%以下。
• 電池短路保護：充電過程中，如果 (V{BAT}) 降至 (V{SYSMIN}) 以下，最大電流將限制在384mA。
• 系統(tǒng)短路打嗝模式：當系統(tǒng)電壓 (V_{SYS}) 低于2.4V時，進入系統(tǒng)短路打嗝模式，充電器關閉500ms后重啟10ms，若多次重啟失敗則鎖定關閉。
• 電池放電過流保護（BATOC）：持續(xù)監(jiān)測電池放電電流 (I{BAT}) ，當 (I{BAT }>I_{BAT_OC }) 時，觸發(fā)BATOC，Buck - Boost停止切換。在OTG/VAP模式下，根據不同情況決定是否退出該模式。
• 總線過壓保護（BUS OVP）：在OTG/VAP模式下，當 (V_{BUS }> 110%) OTGVoltage寄存器值時，觸發(fā)BUS OVP，Buck - Boost停止切換，VBUS引腳開始吸收電流。
• 總線欠壓保護（BUS UVP）：在OTG/VAP模式下，當 (V_{BUS }<85 %) OTGVoltage寄存器值時，觸發(fā)OTG BUS UVP，根據不同情況決定是否退出OTG或VAP模式。
• 熱關斷保護（TSHUT）：當結溫（TJ）超過 + 155℃時，轉換器關閉，當TJ降至 + 135℃以下時，設備恢復正常工作。

三、寄存器配置與編程

SGM41573支持I2C寫字或讀字充電器協議命令，可通過I2C接口對其進行參數配置和狀態(tài)讀取。它具有45個8位寄存器，涵蓋了充電選項、充電電流、充電電壓、OTG參數、輸入電壓和電流限制等多個方面的設置。

1. 充電選項寄存器

• ChargeOption0寄存器：用于設置低功耗模式、看門狗定時器、IDPM自動禁用、OTG添加到CHRG_OK、PWM開關頻率等功能的啟用或禁用。
• ChargeOption1寄存器：可設置IBAT和PSYS緩沖區(qū)的啟用、輸入和充電電流感測電阻值、PSYS增益比、ILIM_HIZ引腳功能選擇等。
• ChargeOption2寄存器：涉及峰值功率模式的相關設置，如輸入過載時間、觸發(fā)條件、狀態(tài)位等，以及ACOC、BATOC等保護功能的啟用和閾值設置。
• ChargeOption3寄存器：用于設置HIZ模式、ICO功能、OTG功能、VAP模式等的啟用或禁用，以及電感平均電流鉗位選擇、OTG輸出電壓范圍選擇等。

2. 充電和監(jiān)測寄存器

• ChargeCurrent寄存器：設置充電電流，使用10mΩ感測電阻時，充電電流范圍為64mA至8.128A，分辨率為64mA。
• MaxChargeVoltage寄存器：設置充電電壓，范圍為1.024V至19.200V，分辨率為8mV。
• MinSystemVoltage寄存器：設置最小系統(tǒng)電壓，范圍為1.024V至16.128V，分辨率為256mV。
• IIN_HOST寄存器：設置輸入電流限制，使用10mΩ感測電阻時，輸入電流限制范圍為50mA至6350mA，分辨率為50mA。
• IIN_DPM寄存器：報告由IIN_HOST或ICO算法編程的實際輸入電流限制。
• InputVoltage寄存器：設置輸入電壓限制，當輸入電壓低于該值時，充電器進入VINDPM。
• OTGVoltage寄存器：設置OTG輸出電壓限制，范圍為3V至20.56V。
• OTGCurrent寄存器：設置OTG輸出電流限制。
• ADCVBUS/PSYS寄存器：提供輸入電壓和系統(tǒng)功率的數字輸出。
• ADCIBAT寄存器：提供電池充放電電流的數字輸出。
• ADCIINCMPIN寄存器：提供輸入電流和CMPIN電壓的數字輸出。
• ADCVSYSVBAT寄存器：提供系統(tǒng)和電池電壓的數字輸出。

3. 狀態(tài)寄存器

• ChargerStatus寄存器：反映充電器的當前狀態(tài)，如輸入是否存在、ICO是否完成、是否處于VAP模式、是否處于充電模式等。
• ProchotStatus寄存器：記錄nPROCHOT事件的狀態(tài)，如nPROCHOT脈沖擴展啟用、最小nPROCHOT脈沖寬度、TSHUT故障狀態(tài)、VAP故障狀態(tài)等。

4. 編程注意事項

在進行寄存器編程時，有些I2C命令需要將兩個8位寄存器組合在一起形成完整的值，如ChargeCurrent()、MaxChargeVoltage()等，需要先寫入LSB命令，再在看門狗時間內寫入MSB命令，否則命令將被忽略。同時，要注意寄存器的讀寫權限和默認值，以確保正確配置設備。

四、應用設計要點

1. 設計要求

在使用SGM41573進行設計時，需要根據實際應用確定輸入電壓、輸入電流極限、電池充電電壓、電池充電電流和最小系統(tǒng)電壓等參數。例如，對于一個2節(jié)電池的應用，輸入電壓應在3.5V至24V之間，輸入電流限制為3.2A（適用于65W適配器），電池充電電壓為8400mV，電池充電電流為3072mA，最小系統(tǒng)電壓為6144mV。

2. 電路元件選擇

• ACN - ACP輸入濾波器：由于SGM41573采用平均電流模式控制，正確感測輸入電流至關重要。建議使用如圖所示的濾波器來去除寄生噪聲，避免寄生電感導致的高頻振鈴和電流環(huán)路不穩(wěn)定問題。
• 電感選擇：有兩種固定開關頻率可供選擇，可選擇較高的頻率以減小電感和電容的值。電感飽和電流應滿足在Buck模式下大于最大充電電流加上一半的峰 - 峰紋波電流，在Boost模式下大于最大輸入電流加上一半的峰 - 峰紋波電流。通常選擇電感值使紋波在最大充電電流的20%至40%之間，以平衡電感損耗和尺寸。
• 輸入電容：輸入電容必須能夠承受電感紋波電流。在Buck模式和Boost模式下，分別使用相應的公式估算RMS電流。建議使用低ESR陶瓷電容進行輸入去耦，并放置在電流感測電阻之前，盡可能靠近功率級。對于高功率應用，可考慮使用鉭電容以避免DC偏置效應和溫度變化效應。
• 輸出電容：輸出電容應具有足夠的RMS電流額定值以承載電感開關紋波，并為系統(tǒng)瞬態(tài)電流需求提供足夠的能量。分別根據Buck模式和Boost模式的公式計算輸出電容的RMS電流和輸出電壓紋波。為了獲得最佳穩(wěn)定性，應在充電電流感測電阻之后至少放置一個10μF/0805電容。
• 功率MOSFET選擇：充電器的同步開關轉換器需要四個N通道MOSFET和一個P通道MOSFET作為BATFET。內部柵極驅動器提供5.6V驅動電壓。為了在導通和開關損耗之間進行權衡，通常使用品質因數（FOM）來比較開關性能，較低的FOM值表示總損耗較小。建議選擇30V或更高電壓額定值的MOSFET，且N通道MOSFET的 (C_{iss}) 應小于1nF。

3. MOSFET柵極驅動

在某些應用中，為了優(yōu)化EMI噪聲，可能需要減慢MOSFET的dV/dt。建議在自舉電容側使用串聯電阻或添加RC緩沖器，而不是添加串聯柵極驅動電阻。

4. 電源供應建議

可使用電壓范圍為3.58V至24V、能夠提供至少500mA電流的適配器。當CHRG_OK為高電平時，表示適配器通過充電器為系統(tǒng)供電；如果適配器移除，系統(tǒng)將通過BATFET連接到電池。通常，電池耗盡閾值應大于最小系統(tǒng)電壓設置，以充分利用電池容量。

5. 布局指南

良好的布局對于開關充電器的正常性能至關重要。為了減少開關損耗，應盡量減小開關節(jié)點的硬開關上升和下降時間；為了減少高頻路徑的電磁耦合和噪聲輻射，應盡量減小環(huán)路面積和導體表面。具體的PCB布局指南包括：將輸入電容放置在開關支路的電源和接地連接點上，并與開關在同一層；保持器件靠近開關柵極引腳以最小化柵極驅動走線長度；將電感引腳盡可能靠近開關節(jié)點；將充電電流感測電阻放置在電感輸出旁邊；將一個輸出電容放置在電池感測電阻旁邊；將輸入和輸出電容的接地返回連接在一起，然后連接到系統(tǒng)接地；僅在器件下方的一個點連接充電器的電源和模擬接地；使用單獨的路徑連接模擬和電源接地；始終將去耦電容放置在器件引腳旁邊；確保焊接器件的散熱墊并使用適當的散熱過孔將熱量傳導到電路板的背面接地平面；選擇適當尺寸和數量的過孔用于每個電流路徑。

五、總結

SGM41573作為一款功能強大的I2C NVDC Buck - Boost充電控制器，為1至4節(jié)電池的充電應用提供了全面的解決方案。它具有多種實用功能、靈活的寄存器配置和豐富的保護機制，能夠滿足不同便攜式設備的充電需求。在應用設計過程中，合理選擇電路元件、優(yōu)化MOSFET柵極驅動、遵循布局指南等要點，將有助于充分發(fā)揮SGM41573的性能優(yōu)勢，實現高效、穩(wěn)定的充電系統(tǒng)。電子工程師們在使用這款控制器時，可根據具體應用場景進行深入研究和調試，確保設計出的產品達到最佳性能。你在實際使用SGM41573的過程中遇到過哪些問題呢？歡迎在評論區(qū)分享交流。