SGM41517：高效集成的開關(guān)模式充電器

在電子設(shè)備的設(shè)計中，電池充電管理是一個關(guān)鍵環(huán)節(jié)。對于單節(jié)鋰離子和鋰聚合物電池的充電需求，SGM41517這款高度集成的開關(guān)模式充電器提供了一個優(yōu)秀的解決方案。下面，我們就來深入了解一下SGM41517的特點(diǎn)、功能以及應(yīng)用設(shè)計要點(diǎn)。

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一、產(chǎn)品概述

SGM41517是一款小巧、高效且支持USB的開關(guān)模式充電器，適用于便攜式應(yīng)用中對單節(jié)鋰離子和鋰聚合物電池的充電。它集成了同步PWM控制器、輸入和輸出電流感應(yīng)、高精度電壓和電流調(diào)節(jié)、功率MOSFET以及充電終止功能，通過I2C接口可對充電參數(shù)進(jìn)行編程。

1. 主要特性

• 寬輸入電壓范圍：支持4V至13.2V的工作輸入電壓范圍，絕對最大輸入電壓額定值為19V。
• 多種功能特性：具備即時啟動無電池功能、可編程輸入電壓限制實(shí)現(xiàn)最大功率跟蹤、不良適配器檢測與識別、最大充電電壓和電流限制的安全限制寄存器等。
• 高精度調(diào)節(jié)：輸入電流調(diào)節(jié)精度在500mA時為±5%，充電電壓調(diào)節(jié)精度在 (T{J}=+25^{circ} C) 時為±0.4%，在 (T{J}=0^{circ} C) 至 +85℃ 時為±0.5%。
• 安全保護(hù)：具有從BAT到VBUS的反向泄漏保護(hù)、熱調(diào)節(jié)和熱關(guān)斷、VBUS/VBAT過壓保護(hù)等功能。
• 封裝形式：采用綠色UTQFN - 2×2 - 20L封裝。

2. 應(yīng)用場景

SGM41517廣泛應(yīng)用于便攜式音頻揚(yáng)聲器、手機(jī)、可穿戴設(shè)備、EPOS等領(lǐng)域。

二、工作模式

SGM41517具有三種工作模式：充電模式、Boost模式和高阻抗模式。

1. 充電模式

當(dāng)插入電壓低于充電閾值的良好電池并連接良好的適配器時，進(jìn)入充電模式。在此模式下，設(shè)備有五個控制回路來調(diào)節(jié)輸入電壓、輸入電流、充電電流、充電電壓和芯片結(jié)溫。充電過程分為三個階段：短充電電流、恒流充電和恒壓充電。輸入電流會自動限制到主機(jī)設(shè)置的值，充電終止基于電池電壓和用戶可選的最小電流水平。

2. Boost模式

在主機(jī)模式下，當(dāng)OTG引腳變?yōu)楦唠娖交騉PA_MODE位設(shè)置為1時，SGM41517進(jìn)入Boost模式，將電池電壓提升到VBUS以給連接的USB OTG設(shè)備供電。默認(rèn)情況下，可將VBUS提升到約5.05V，并能提供高達(dá)1400mA的電流。

3. 高阻抗模式

在此模式下，充電器停止充電或升壓，進(jìn)入低靜態(tài)電流狀態(tài)以節(jié)省功率?？赏ㄟ^將CD_TS引腳設(shè)置為高電平使充電器進(jìn)入該模式。

三、功能特性詳解

1. 輸入電壓保護(hù)

• 輸入過壓保護(hù)：內(nèi)置輸入過壓保護(hù)，當(dāng)檢測到VBUS過壓時，關(guān)閉PWM轉(zhuǎn)換器和RBFET Q1，設(shè)置故障狀態(tài)位，并向STAT引腳發(fā)送128μs脈沖。當(dāng) (V_{VBUS}) 降至輸入過壓退出閾值以下時，故障清除，充電恢復(fù)。
• 不良適配器檢測：在VBUS引腳發(fā)生上電復(fù)位時，通過向VBUS施加約30mA的電流吸收來進(jìn)行不良適配器檢測。如果VBUS高于 (V_{IN(MIN)}) 持續(xù)30ms，則適配器良好，開始充電；否則，禁用電流吸收，向STAT引腳發(fā)送128μs低脈沖，并設(shè)置不良適配器標(biāo)志。

2. 電池保護(hù)

• 電池過壓保護(hù)：集成內(nèi)置過壓保護(hù)，當(dāng)檢測到電池過壓時，關(guān)閉PWM轉(zhuǎn)換器，設(shè)置故障狀態(tài)位，并向STAT引腳發(fā)送故障脈沖。當(dāng)VBAT降至電池過壓下降閾值時，故障清除，充電重新開始。
• 電池短路保護(hù)和充電超時：在正常充電過程中，如果電池電壓低于短路閾值VSHORT，充電器以 (I_{SHORT}) 對電池充電。充電周期開始時，內(nèi)部10小時安全定時器開始計數(shù)，如果10小時內(nèi)充電未終止，設(shè)備將停止PWM并向STAT引腳發(fā)送128μs脈沖通知AP。

3. 溫度管理

• JEITA準(zhǔn)則合規(guī)：支持JEITA準(zhǔn)則，通過CD_TS引腳監(jiān)測電池溫度。在不同溫度范圍內(nèi)，對充電電流和電壓進(jìn)行相應(yīng)限制，以確保電池安全充電。
• 熱調(diào)節(jié)和保護(hù)：監(jiān)測芯片結(jié)溫 (T{J})，當(dāng) (T{J}) 達(dá)到熱調(diào)節(jié)閾值TCF時，逐漸降低充電電流；當(dāng) (T{J}) 上升到比 (T{CF}) 高約10℃時，充電電流降至零；當(dāng) (T{J}) 超過TSHTDWN時，停止充電并進(jìn)入熱關(guān)斷模式，當(dāng) (T{J}) 降至TSHTDWN以下約10℃時，充電恢復(fù)。

四、I2C通信

SGM41517通過標(biāo)準(zhǔn)I2C接口進(jìn)行參數(shù)編程和狀態(tài)報告。支持標(biāo)準(zhǔn)模式和快速模式通信速度，標(biāo)準(zhǔn)模式頻率最高為100kbits/s，快速模式最高為1Mbits/s。通過I2C接口，主機(jī)可以對充電參數(shù)進(jìn)行靈活設(shè)置，如輸入電流限制、充電電流、充電電壓等。

五、應(yīng)用設(shè)計要點(diǎn)

1. 外部組件選擇

• 電感設(shè)計：根據(jù)指定的充電電流紋波確定電感值 (L{OUT})，計算公式為 (L{OUT }=frac{V{BAT } timesleft(V{VBUS }-V{BAT }right)}{V{VBUS } × f × Delta I_{L}})。在實(shí)際設(shè)計中，可根據(jù)計算結(jié)果選擇合適的標(biāo)準(zhǔn)電感值，并計算總紋波電流和最大輸出電流。
• 輸出電容設(shè)計：以40kHz作為諧振頻率確定輸出電容值 (C{OUT})，計算公式為 (C{OUT }=frac{1}{4 pi^{2} × f{O}^{2} × L{OUT }})?？蛇x擇合適的陶瓷電容進(jìn)行并聯(lián)使用。

2. 布局設(shè)計

• 功率輸入電容應(yīng)盡可能靠近引腳，輸出電感應(yīng)靠近IC，輸出電容應(yīng)連接在電感和PGND之間，以最小化從SW引腳通過LC濾波器回到PGND引腳的電流路徑環(huán)路面積。
• 所有去耦電容應(yīng)靠近各自的引腳并靠近PGND，小控制信號應(yīng)遠(yuǎn)離高電流路徑。
• PCB應(yīng)具有接地平面，采用星型接地設(shè)計方法，以減少噪聲耦合和接地反彈問題。

六、總結(jié)

SGM41517以其高度集成的特性、豐富的功能和良好的性能，為單節(jié)鋰離子和鋰聚合物電池的充電管理提供了一個可靠的解決方案。在實(shí)際應(yīng)用中，電子工程師可以根據(jù)具體需求，通過I2C接口靈活配置充電參數(shù)，并合理選擇外部組件和進(jìn)行布局設(shè)計，以實(shí)現(xiàn)最佳的充電效果和系統(tǒng)性能。大家在使用SGM41517進(jìn)行設(shè)計時，有沒有遇到過什么特別的問題呢？歡迎在評論區(qū)分享交流。