SGM41606S：高效單電池8A開關(guān)電容并行充電器

在當今電子設(shè)備對快速充電需求日益增長的背景下，一款性能卓越的電池充電器顯得尤為重要。SGM41606S作為一款I2C控制的單電池8A開關(guān)電容并行充電器，憑借其獨特的設(shè)計和豐富的功能，為電子設(shè)備的充電解決方案提供了強大支持。下面就讓我們深入了解一下這款充電器。

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一、產(chǎn)品概述

SGM41606S是一款高效的8A開關(guān)電容電池充電設(shè)備，具備I2C控制功能，可在電荷泵分壓器模式或旁路模式下運行。它能夠在3.6V至12V的寬輸入電壓范圍（VBUS）內(nèi)，對單節(jié)Li - Ion或Li - polymer電池進行充電，適用于智能壁式適配器或移動電源等多種電源。其開關(guān)電容架構(gòu)針對50%占空比進行了優(yōu)化，可將輸入電流降至電池電流的一半，有效減少了應用中的布線壓降、損耗和溫升。

二、產(chǎn)品特性

（一）高效開關(guān)電容架構(gòu)

• 高輸出電流：最大輸出電流可達8A，能滿足快速充電需求。
• 寬輸入電壓范圍：支持3.6V至12V的輸入電壓，增強了電源的兼容性。
• 靈活的開關(guān)頻率設(shè)置：開關(guān)頻率可在187.5kHz至1.5MHz之間設(shè)置，方便根據(jù)不同應用場景進行調(diào)整。
• 高電壓分壓器模式效率：當(V{BAT}=4V)，(I{BAT}=2A)時，電壓分壓器模式效率可超過98%。

（二）雙輸入電源選擇

通過集成的多路復用器控制和外部OVPFET驅(qū)動器，支持雙輸入配置，同時也支持無OVPFET或僅使用單個OVPFET的單輸入模式。

（三）集成可編程保護功能

具備輸入過壓保護（VBUS_OVP）、電池過壓保護（VBAT_OVP）、輸入過流保護（IBUS_OCP）等多種保護功能，確保充電過程的安全性。

（四）并行充電支持

通過同步兩個SGM41606S器件，可實現(xiàn)高達13A的充電電流。

（五）10通道16位ADC轉(zhuǎn)換器

可對VAC1、VAC2、VBUS、IBUS、VOUT、VBAT、IBAT、TSBUS、TSBAT、TDIE等參數(shù)進行監(jiān)測，為充電管理主機提供詳細的系統(tǒng)信息。

三、工作模式

（一）電荷泵分壓器模式

該模式以固定的50%占空比運行。以開關(guān)電容的兩個通道之一為例，在周期1中，Q1和Q3導通，(V{PMID})對(C{FLY})和電池進行串聯(lián)充電；在周期2中，Q2和Q4導通，(C{FLY})與電池并聯(lián)。通過相關(guān)公式計算，可得出電容電壓和輸入輸出電流的關(guān)系。在低開關(guān)頻率下，電容電荷共享損耗占主導；隨著頻率增加，有效輸入輸出電阻(R{EFF})最終接近((R_{DSQCH}+R{DSQDH}+R{DSQCL}+R{DS_QDL})/2)。兩通道交錯操作確保了平滑的輸入電流，簡化了噪聲濾波。

（二）旁路模式

當(V{BUS})接近(V{OUT})時，SGM41606S可進入旁路模式。通過設(shè)置(ENBYPASS = 1)，VBUS和VOUT之間的所有開關(guān)完全導通，其他開關(guān)保持關(guān)閉。此時，輸出電壓接近(V{BUS})減去由RBFET和兩個通道的兩個高端開關(guān)的導通電阻引起的電壓降。旁路模式在(V{BUS})接近(V{OUT})時具有最佳效率，能夠提供高達5A的充電電流。

四、充電系統(tǒng)與啟動序列

（一）充電系統(tǒng)

SGM41606S是一個從充電器設(shè)備，需要一個主機。主機必須設(shè)置所有保護功能，并在啟用SGM41606S之前禁用主充電器。在充電過程中，主機需要監(jiān)測nINT中斷，特別是在大電流充電時，同時還需與壁式適配器通信以控制充電電流。

（二）啟動序列

SGM41606S由VAC1、VAC2、VBUS或VOUT中較大的電壓供電。當(V{OUT})高于(V{OUT_UVLOR})，或(V{AC1})、(V{AC2})或(V{BUS})高于各自的欠壓鎖定（UVLO）上升閾值時，(I^{2}C)接口準備好進行通信，所有寄存器重置為默認值。設(shè)備上電后不會立即開始充電，默認情況下充電器禁用，但ADC可以啟用，主機可以在啟用充電之前讀取系統(tǒng)參數(shù)。只有當(V{BUS}>V{BUS_PRESENTR})且(V{OUT}>V_{OUT_PRESENT_R})時，才能啟用充電。

五、輸入配置與OTG模式

（一）輸入配置

SGM41606S具有兩個ACDRV引腳，可驅(qū)動兩組背靠背的N溝道MOSFET，用于選擇和管理來自兩個不同輸入源（如有線和無線輸入源）的輸入電源。該設(shè)備支持四種輸入配置：無外部FET的單輸入、僅使用一個ACFET的單輸入、使用一組ACFET - RBFET的雙輸入以及使用兩組ACFET - RBFET的雙輸入。不同配置下，相關(guān)引腳的連接和控制功能有所不同。

（二）OTG模式

如果開關(guān)充電器工作在OTG模式，且兩組背靠背的N溝道MOSFET由SGM41606S控制，則需要手動開啟或關(guān)閉它們，具體取決于所需的OTG輸出端口。當發(fā)生VAC1_OVP、VAC2_OVP或VBUS_OVP故障時，相應的外部OVPFET將關(guān)閉。進入OTG模式需要按照特定步驟操作，退出OTG模式也有相應的流程。

六、保護功能

（一）輸入過壓保護（VAC1_OVP、VAC2_OVP）

監(jiān)測VAC1/VAC2引腳的適配器電壓，通過ACDRV1/ACDRV2輸出控制外部OVPFET。當(V{AC1})高于(V{AC_PRESENTR})且滿足一定條件時，ACDRV1輸出驅(qū)動信號開啟ACFET1 - RBFET1；當(V{AC1})達到(V_{AC_OVP_R})閾值時，ACFET1 - RBFET1關(guān)閉。

（二）輸入短路保護（VBUS_SCP）

監(jiān)測VBUS引腳是否短路。當外部OVPFET開啟或(V{BUS})高于(V{BUS_PRESENTR})時，該功能啟用。如果(V{BUS})低于2V，充電停止，CHG_EN位重置為0，相關(guān)狀態(tài)和標志位設(shè)置為1，并產(chǎn)生一個INT脈沖。設(shè)備將等待760ms后自動重新啟用并啟動啟動序列。

（三）其他保護功能

還包括輸入、輸出和電池過壓保護（VBUS_OVP、VOUT_OVP和VBAT_OVP）、輸入和電池過流保護（IBUS_OCP和IBAT_OCP）、輸入欠流保護（IBUS_UCP）、CFLY診斷（CFLY_SHORT）、轉(zhuǎn)換器峰值過流保護（PEAK_OCP）、TDIE過溫保護（TDIE_OTP）以及電池和電纜連接器溫度監(jiān)測（TSBAT_FLT和TSBUS_FLT）等功能，確保設(shè)備在各種異常情況下的安全性。

七、寄存器映射

SGM41606S的所有寄存器均為8位，各個位從D[0]（LSB）到D[7]（MSB）命名。通過I2C寄存器地址映射，可以對設(shè)備的各種功能進行配置和監(jiān)測，包括模式設(shè)置、保護閾值設(shè)置、狀態(tài)和標志位讀取等。

八、應用信息

（一）電容選擇

• 輸入電容：選擇輸入電容時，需要考慮足夠的電壓裕量以應對最大浪涌電壓，同時避免過大的電壓裕量以限制從電源汲取的峰值電流并減少輸入噪聲。對于(C{VAC1})、(C{VAC2})和(C{VBUS})，應使用低ESR旁路陶瓷電容，并靠近VAC1/VAC2/VBUS和GND引腳放置。(C{PMID})由穩(wěn)定運行所需的最小電容和最小化電壓紋波和負載階躍瞬變所需的ESR決定。
• 飛電容（(C_{FLY})）：選擇(C{FLY})電容時，電流額定值、ESR和偏置電壓降額是關(guān)鍵參數(shù)。為了在效率和功率密度之間進行權(quán)衡，可將(C{FLY})電壓紋波設(shè)置為(V{OUT})的2%作為起點。通過公式(C{FLY}=frac{I{BAT}}{4f{SW}V_{CFLYRPP}}=frac{I{BAT}}{8%f{SW}V{DC{CFLY}}})可計算每個通道的(C{FLY})電容值。
• 輸出電容（(C_{VOUT})）：(C{VOUT})的選擇標準與(C{FLY})電容類似。較大的(C{VOUT})值可減少輸出電壓紋波，但由于雙通道操作，(C{VOUT})的RMS電流遠小于(C{FLY})，因此可以選擇較小的電容值。通過公式(C{VOUT}=frac{I{BAT} × t{DEAD}}{0.5 × V_{VOUTRPP}})可計算(C{VOUT})電容值。

（二）PCB布局指南

良好的PCB布局對于SGM41606S的穩(wěn)定運行至關(guān)重要。應遵循以下指南：

• 使用短而寬的走線來傳輸高電流的VBUS。
• 盡可能減少連接器，因為連接器在高電流下的損耗較為顯著。
• 使用實心熱過孔以實現(xiàn)更好的散熱。
• 盡可能靠近設(shè)備引腳使用陶瓷電容將VBUS、PMID和VOUT引腳旁路到GND。
• 將(C_{FLY})電容盡可能靠近設(shè)備放置，并使用小焊盤區(qū)域以減少開關(guān)噪聲和EMI。
• 兩個通道的CLFY敷銅應盡可能對稱。
• 將所有電源信號連接并參考到GND引腳（最好是最近的引腳）。
• 盡量避免信號走線中斷或破壞電源平面。

九、總結(jié)

SGM41606S以其高效的開關(guān)電容架構(gòu)、豐富的保護功能和靈活的輸入配置，為單電池充電應用提供了一個強大而可靠的解決方案。無論是在智能手機、平板電腦還是其他電子設(shè)備中，它都能滿足快速充電和安全充電的需求。電子工程師在設(shè)計充電系統(tǒng)時，可以充分利用SGM41606S的特性，結(jié)合合理的電容選擇和PCB布局，實現(xiàn)高效、穩(wěn)定的充電功能。你在使用SGM41606S進行設(shè)計時遇到過哪些問題呢？歡迎在評論區(qū)分享你的經(jīng)驗和見解。