MAX20094/MAX20095：備份電池充電器與升壓控制器的卓越之選

在電子設(shè)備的設(shè)計(jì)中，備份電池充電器和升壓控制器是保障系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵組件。今天，我們要深入探討的是Analog Devices推出的MAX20094/MAX20095，這兩款I(lǐng)C在備份電池充電和升壓控制領(lǐng)域表現(xiàn)出色，為電子工程師提供了強(qiáng)大的解決方案。

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一、產(chǎn)品概述

MAX20094/MAX20095將可配置的恒流/恒壓（CC/CV）電池充電器與高效同步升壓控制器相結(jié)合。當(dāng)主電源丟失時(shí)，它能夠?yàn)殛P(guān)鍵系統(tǒng)提供電力。此外，還具備診斷功能，可檢查電池的健康狀態(tài)（SOH）和IC的功能。充電閾值和升壓輸出電壓可配置，以支持常見(jiàn)的電池化學(xué)類型和各種電池?cái)?shù)量。其2.2MHz的開(kāi)關(guān)頻率有助于通過(guò)最小化電感器尺寸來(lái)降低系統(tǒng)成本，同時(shí)還包括精密的電池SOH檢查，并具有將備用電池（BUB）的泄漏電流降至最低的內(nèi)置功能。該產(chǎn)品采用28引腳（5mm x 5mm）可側(cè)焊TQFN封裝，并且符合AECQ - 100標(biāo)準(zhǔn)，適用于汽車環(huán)境。

二、主要特性與優(yōu)勢(shì)

2.1 高效解決方案

• 同步升壓：具備最低2V的同步升壓功能，采用n溝道FET控制，在輕負(fù)載時(shí)可保證高效運(yùn)行。例如，在1mA負(fù)載下，跳過(guò)模式可確保效率大于50%。
• 多功能集成：集成了3V至6V的CC/CV電池充電器，充電電流可通過(guò)I2C設(shè)置，最大可達(dá)1A。同時(shí)，I2C可選擇CV電壓和CC電流水平，還提供p溝道負(fù)載斷開(kāi)的柵極驅(qū)動(dòng)器輸出以及備用電池切換觸發(fā)信號(hào)。

2.2 精確診斷與監(jiān)測(cè)

• 電池健康監(jiān)測(cè)：具備備用電池的狀態(tài)監(jiān)測(cè)功能，可通過(guò)I2C接口進(jìn)行診斷和控制。內(nèi)置精確的內(nèi)部電流吸收器，用于電池阻抗測(cè)量，并可模擬讀取來(lái)自備用電池的內(nèi)部吸收電流，還支持BATT_電壓的遠(yuǎn)程感應(yīng)。
• I2C接口：通過(guò)I2C接口，工程師可以方便地配置和監(jiān)控設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)對(duì)充電過(guò)程和升壓控制的精確調(diào)整。

2.3 適應(yīng)汽車環(huán)境

• 寬電壓范圍：輸入電壓范圍為3.5V至36V，可耐受40V的負(fù)載突降。與電池連接的引腳泄漏電流小于1μA，確保在汽車復(fù)雜的電氣環(huán)境中穩(wěn)定工作。
• 寬溫度范圍：工作溫度范圍為 - 40°C至 + 125°C，能夠適應(yīng)各種惡劣的汽車工作環(huán)境。
• 可側(cè)焊封裝：28引腳可側(cè)焊TQFN封裝，便于光學(xué)檢查，提高了生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量。

三、電氣特性詳解

3.1 升壓控制器

• 電源電壓范圍：正常工作時(shí)為4.5V至36V，短時(shí)間（t < 1s）可耐受40V。備用電池欠壓鎖定閾值可聯(lián)系廠家獲取不同選項(xiàng)。
• 關(guān)斷電源電流：通過(guò)I2C禁用升壓功能，當(dāng)VSUP2 = 12V且VEN1B = 0V時(shí)，關(guān)斷電源電流僅為10μA，有助于降低功耗。

3.2 電池充電器

• 電源電壓范圍：為0V至6.5V，充電時(shí)的欠壓閾值下降為3.3V，上升為3.5V。充電器禁用時(shí)，在 +25°C下的泄漏電流小于10μA。
• 充電參數(shù)：SUP1至BATTP的導(dǎo)通電阻典型值為250mΩ。通過(guò)I2C可設(shè)置BUB電壓，范圍為3.0V至6.0V，輸出電壓精度可達(dá)±1%?？焖俪潆婋娏骺赏ㄟ^(guò)I2C設(shè)置，范圍為0.05A至1A，預(yù)充電電流在V BUB = 0至2.0V時(shí)為40至60mA。

3.3 其他特性

• 內(nèi)部LDO偏置：內(nèi)部偏置電壓在VSUP2 > 6V時(shí)為5V，偏置欠壓鎖定閾值上升為3.0V，下降為2.5V。
• 電池狀態(tài)監(jiān)測(cè)：SNK電流范圍可通過(guò)I2C控制，為0至2A，SNK電流精度在I = 0.5A、V BATT_ = 3.3V時(shí)為±10%。AVI電壓測(cè)量范圍為0至3V，AVB電壓測(cè)量范圍為0至6V。

四、典型應(yīng)用電路與工作模式

4.1 充電器工作模式

充電器的正常工作模式是為備用電池（BUB）充電。其工作過(guò)程由一個(gè)狀態(tài)機(jī)控制，包括以下幾個(gè)階段：

• 關(guān)閉狀態(tài)：當(dāng)CONTROL/CHG_EN = 0，或START_BIASRDY = 0，或芯片溫度高于熱關(guān)斷閾值時(shí)，充電器處于關(guān)閉狀態(tài)。
• 待機(jī)狀態(tài)：當(dāng)CONTROL/CHG_EN = 1，偏置建立（START_BIASRDY = 1）且芯片溫度低于熱關(guān)斷閾值時(shí)，充電器進(jìn)入待機(jī)狀態(tài)，啟動(dòng)一個(gè)15μs的定時(shí)器，使充電器的內(nèi)部偏置和比較器穩(wěn)定。
• 預(yù)充電狀態(tài)：充電器進(jìn)入50mA電流限制的充電模式（PREQUAL），直至VBUB超過(guò)VPQVTHR。
• 恒流充電狀態(tài)：開(kāi)始快速充電過(guò)程，以恒流模式（FAST_CHG_CC）進(jìn)行。充電電流通過(guò)CHGR_CC（05h）寄存器編程設(shè)置。
• 恒壓充電狀態(tài)：當(dāng)VBUB超過(guò)VCVTHR時(shí)，充電器進(jìn)入恒壓模式（FAST_CHG_CV）。當(dāng)充電電流ICHG低于50mA時(shí)，快速充電操作完成，進(jìn)入FAST_CHG_DONE模式。

4.2 升壓控制器工作模式

升壓控制器在主電池故障時(shí)，利用備用電池（BUB）為SUP2引腳維持穩(wěn)定的電源電壓。它是一個(gè)同步電流模式控制器，具有工廠預(yù)設(shè)的輸出電壓。開(kāi)關(guān)頻率大于2MHz，在輕負(fù)載時(shí)采用脈沖頻率調(diào)制（PFM）模式，以延長(zhǎng)電池壽命。當(dāng)輸出電壓高于所需的升壓電壓時(shí)，自動(dòng)進(jìn)入超低I Q待機(jī)模式；當(dāng)輸出電壓接近所需升壓電壓時(shí)，自動(dòng)進(jìn)入喚醒模式，并向主機(jī)發(fā)送離散信號(hào)表示已喚醒。

五、I2C接口通信

MAX20094/MAX20095通過(guò)I2C兼容的串行接口進(jìn)行通信，允許用戶配置和監(jiān)控設(shè)備的運(yùn)行。I2C接口的主要特點(diǎn)包括：

• 串行尋址：I2C端口作為目標(biāo)設(shè)備，通過(guò)I2C/SMBus兼容的2線串行接口發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。使用串行數(shù)據(jù)訪問(wèn)（SDA）線和串行時(shí)鐘線（SCL）實(shí)現(xiàn)控制器與目標(biāo)設(shè)備之間的雙向通信。
• 數(shù)據(jù)傳輸：每個(gè)SCL周期傳輸一個(gè)數(shù)據(jù)位，SDA上的數(shù)據(jù)在SCL脈沖的高電平期間必須保持穩(wěn)定。START條件表示傳輸?shù)拈_(kāi)始，STOP條件表示傳輸?shù)慕Y(jié)束。
• 寫(xiě)操作：控制器通過(guò)發(fā)送正確的目標(biāo)地址、寄存器/命令和數(shù)據(jù)字來(lái)與設(shè)備通信。每個(gè)傳輸序列由START或Repeated START條件和STOP條件框定。
• 讀操作：支持標(biāo)準(zhǔn)的組合格式I2C讀模式操作，每個(gè)接收序列同樣由START或Repeated START條件和STOP條件框定。

六、寄存器配置

該產(chǎn)品提供了一系列寄存器，用于配置和監(jiān)控設(shè)備的各種功能。以下是一些主要寄存器的介紹：

• CHIP_ID（0x00）：只讀寄存器，提供芯片和硅版本的信息。
• CHGR_STATUS（0x01）：只讀寄存器，提供充電器的運(yùn)行模式和相關(guān)電源1電壓狀態(tài)的信息。
• GEN_STATUS（0x02）：只讀寄存器，提供IC內(nèi)部所有模塊的狀態(tài)和運(yùn)行信息。
• EN_INT（0x03）：讀寫(xiě)寄存器，控制STATUSB輸出引腳的操作。
• CONTROL（0x04）：讀寫(xiě)寄存器，用于啟用/禁用設(shè)備的各種功能。
• CHGR_CC（0x05）：讀寫(xiě)寄存器，設(shè)置恒流操作期間的快速充電電流。
• CHGR_CV（0x06）：讀寫(xiě)寄存器，設(shè)置切換到恒壓操作所需的充電器調(diào)節(jié)電壓。
• SOH（0x07）：讀寫(xiě)寄存器，設(shè)置電池健康狀態(tài)（SOH）測(cè)量期間的用戶可編程吸收電流。
• SW_RST（0x08）：只寫(xiě)寄存器，將整個(gè)器件重置為原始默認(rèn)條件。
• NO_OP（0xFF）：讀寫(xiě)寄存器，對(duì)器件內(nèi)部無(wú)影響。

七、應(yīng)用設(shè)計(jì)要點(diǎn)

7.1 升壓轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)

• 電感選擇：電感的大小取決于占空比和頻率。開(kāi)關(guān)導(dǎo)通時(shí)電感電流上升，關(guān)斷時(shí)下降。較高的開(kāi)關(guān)頻率通常可改善瞬態(tài)響應(yīng)并減小組件尺寸，但在非升壓操作期間將升壓組件用作輸入濾波器組件時(shí)，低頻更具優(yōu)勢(shì)。電感值可根據(jù)公式 (L[mu H]=frac{V{IN} × D}{f{SW}(MHz) × LIR}) 計(jì)算，其中 (D=left(V{OUT }-V{IN }right) / V{OUT }) ， (V{IN}) 為典型輸入電壓， (V_{OUT }) 為典型輸出電壓， (LIR) 為電感峰 - 峰交流電流與直流平均電流之比。
• MOSFET選擇：升壓轉(zhuǎn)換器中使用的n溝道MOSFET必須是邏輯電平類型，在 (V{GS}=4.5 ~V) 時(shí)具有保證的導(dǎo)通電阻規(guī)格，并且能夠提供最大輸入電流 (I{IN(MAX)}=I{LOAD(MAX)} × frac{D{MAX}}{1-D_{MAX}}) 。
• 電容選擇：輸入電容需要考慮最小輸入電容值和最大ESR，可通過(guò)公式 (C{BUB}=frac{Delta I{L} × D}{4 × f{S W} × Delta V{Q}}) 和 (E S R=frac{Delta V{ESR}}{Delta l{L}}) 計(jì)算。輸出電容需要滿足在升壓MOSFET導(dǎo)通時(shí)為負(fù)載提供電流的要求，其值可通過(guò)公式 (C{OUT }=frac{I{OUT } × D{MAX }}{Delta V{Q} × f_{SW}}) 計(jì)算。
• 分流電阻選擇：電流檢測(cè)電阻（ (R{CS}) ）連接在電池和電感之間，用于設(shè)置電流限制。其值可根據(jù)公式 (R{CS{-}}=frac{V{CS}}{I{IN(MAX)}}) 計(jì)算，其中 (I{IN(MAX)}) 是在滿載和最小 (V_{IN}) 時(shí)流經(jīng)MOSFET的峰值電流。

7.2 PCB布局建議

• 布局原則：為了實(shí)現(xiàn)低開(kāi)關(guān)損耗和干凈、穩(wěn)定的操作，需要進(jìn)行精心的PCB布局。應(yīng)將所有功率組件盡可能安裝在電路板的頂層，使其接地端子相互緊貼。
• 具體建議：保持大電流路徑短，特別是在接地端子處；保持功率走線和負(fù)載連接短，使用厚銅PCB可提高滿載效率；通過(guò)連接CSP和CSN并使用開(kāi)爾文檢測(cè)方法，減少電流檢測(cè)誤差；將高速開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)（BST、LX、DH和DL）遠(yuǎn)離敏感的模擬區(qū)域（SUP2、CSP和CSN）。

八、總結(jié)

MAX20094/MAX20095是一款功能強(qiáng)大、性能卓越的備份電池充電器和升壓控制器，適用于汽車遠(yuǎn)程信息處理電池備份、單節(jié)或多節(jié)電池備份系統(tǒng)等應(yīng)用場(chǎng)景。其豐富的功能、可配置的參數(shù)以及對(duì)汽車環(huán)境的適應(yīng)性，為電子工程師在設(shè)計(jì)可靠的電源系統(tǒng)時(shí)提供了一個(gè)優(yōu)秀的選擇。在實(shí)際應(yīng)用中，工程師需要根據(jù)具體的設(shè)計(jì)要求，合理選擇組件參數(shù)，并進(jìn)行精心的PCB布局，以充分發(fā)揮該產(chǎn)品的性能優(yōu)勢(shì)。大家在使用這款產(chǎn)品的過(guò)程中有遇到什么問(wèn)題，或者有其他更好的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，歡迎在評(píng)論區(qū)一起交流探討。