SGM41516/SGM41516D：高輸入電壓單節(jié)電池充電器的卓越之選

在電子設(shè)備飛速發(fā)展的今天，電池充電器的性能和功能對于設(shè)備的續(xù)航和穩(wěn)定性起著至關(guān)重要的作用。SG Micro Corp推出的SGM41516/SGM41516D高輸入電壓單節(jié)電池充電器，以其出色的特性和廣泛的應(yīng)用場景，成為了電子工程師們的熱門選擇。今天，我們就來深入了解一下這款充電器。

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一、產(chǎn)品概述

SGM41516/SGM41516D是集成了轉(zhuǎn)換器和電源開關(guān)的電池充電器及系統(tǒng)電源路徑管理設(shè)備，專為單節(jié)鋰離子或鋰聚合物電池設(shè)計(jì)。這款高度集成的3.78A設(shè)備能夠?qū)崿F(xiàn)快速充電，支持寬輸入電壓范圍，適用于智能手機(jī)、平板電腦和便攜式系統(tǒng)等多種設(shè)備。通過I2C編程，它提供了非常靈活的供電和充電設(shè)計(jì)解決方案。

二、特性亮點(diǎn)

（一）高效充電

• 同步降壓充電器：采用1.5MHz同步降壓充電器，效率極高。在5V輸入、1A充電電流時(shí)，充電效率可達(dá)95.5%；在9V輸入、2A充電電流時(shí)，充電效率為92.5%，并且針對9V/12V輸入進(jìn)行了優(yōu)化。還具備可選的PFM模式，可提高輕載效率。
• USB OTG支持：支持USB On - The - Go（OTG）功能，在升壓模式下，升壓轉(zhuǎn)換器輸出電流可達(dá)1.2A，在0.5A和1A輸出時(shí)，升壓效率分別為93.5%和92.2%。同時(shí)具備精確的打嗝模式過流保護(hù)、軟啟動功能（可承受高達(dá)500μF的容性負(fù)載）和輸出短路保護(hù)，并且在輕載操作時(shí)也有可選的PFM模式。

（二）寬輸入電壓范圍

• 單一輸入接口：支持USB或高壓適配器的單一輸入，工作輸入電壓范圍為3.9V至13.5V，絕對最大輸入電壓額定值為22V。
• 可編程輸入電流限制：可編程輸入電流限制和動態(tài)功率管理（IINDPM，范圍從100mA到3.1A，分辨率為100mA，還有3.8A可選），支持USB 2.0和USB 3.0標(biāo)準(zhǔn)以及高壓適配器。通過可編程輸入電壓限制（VINDPM）和可選偏移實(shí)現(xiàn)最大功率跟蹤，還能跟蹤電池電壓。此外，還能自動檢測USB BC1.2、SDP、CDP、DCP和非標(biāo)準(zhǔn)適配器。

（三）其他特性

• 高電池放電效率：配備11mΩ開關(guān)，具有高電池放電效率。
• NVDC電源路徑管理：具備窄電壓DC（NVDC）電源路徑管理功能，即使電池電量極低或無電池時(shí)也能實(shí)現(xiàn)即時(shí)啟動，在電池補(bǔ)充模式下具有理想的二極管操作。
• 多種操作模式：具有靈活的自主和I2C操作模式，可實(shí)現(xiàn)最佳系統(tǒng)性能。完全集成的開關(guān)、電流檢測和補(bǔ)償功能，還提供外部直接充電路徑使能輸出。
• 低泄漏電流：船運(yùn)模式下電池泄漏電流低至9μA。
• 高精度：充電電壓調(diào)節(jié)精度為±0.5%（8mV/步），在1.5A時(shí)充電電流調(diào)節(jié)精度為±5%，在0.9A時(shí)輸入電流調(diào)節(jié)精度為±10%。
• 安全保護(hù)：具備電池溫度感應(yīng)（充電/升壓模式）、熱調(diào)節(jié)和熱關(guān)斷、輸入欠壓鎖定（UVLO）、輸入過壓（ACOV）保護(hù)等多種安全特性。

三、引腳配置與功能

SGM41516和SGM41516D采用WLCSP - 2.0×2.4 - 30B封裝，它們的引腳配置和功能各有特點(diǎn)。例如，GND為接地引腳；BAT為電池正極端子引腳，使用時(shí)需在BAT和GND引腳之間靠近設(shè)備處連接一個(gè)10μF電容；SW為開關(guān)節(jié)點(diǎn)輸出，需連接到輸出電感，并從SW引腳到BTST引腳連接一個(gè)47nF的自舉電容等。不同引腳承擔(dān)著不同的功能，共同確保充電器的正常運(yùn)行。

四、電氣特性

文檔中詳細(xì)列出了各種電氣參數(shù)，如靜態(tài)電流、輸入電源電流、電池放電電流、充電電壓和電流調(diào)節(jié)范圍等。這些參數(shù)為工程師在設(shè)計(jì)電路時(shí)提供了重要的參考依據(jù)，確保充電器在不同工作條件下都能穩(wěn)定、高效地運(yùn)行。

五、工作模式與詳細(xì)描述

（一）工作模式

• HIZ模式：反向阻斷FET（Q1）、內(nèi)部REGN LDO、轉(zhuǎn)換器開關(guān)和部分內(nèi)部電路保持關(guān)閉，以節(jié)省電池電量，同時(shí)通過BATFET為系統(tǒng)提供直流電源。
• 睡眠模式：當(dāng)輸入源電壓（VVAC）不足以給電池充電時(shí)，開關(guān)停止工作，充電器進(jìn)入睡眠模式。
• 補(bǔ)充模式：當(dāng)輸入源功率不足以滿足系統(tǒng)需求時(shí)，電池通過放電為系統(tǒng)提供額外的功率。

（二）詳細(xì)工作流程

• 上電過程：設(shè)備的內(nèi)部電路由VUBUS和VBAT中較高的電壓供電。當(dāng)所選源的電壓超過其UVLO水平時(shí)，會發(fā)生上電復(fù)位（POR），激活睡眠比較器、電池耗盡比較器和BATFET驅(qū)動器，同時(shí)I2C接口準(zhǔn)備好通信，所有寄存器復(fù)位為默認(rèn)值。
• 僅電池上電：當(dāng)只有電池作為電源且其電壓高于耗盡閾值時(shí)，BATFET導(dǎo)通，將電池連接到系統(tǒng)。由于REGN LDO保持關(guān)閉，靜態(tài)電流最小，且BATFET的RDSON較小，傳導(dǎo)損耗也較低，有助于延長電池續(xù)航時(shí)間。
• 輸入電源上電：連接輸入源（VBUS）后，會依次進(jìn)行REGN LDO上電、不良電源源檢測、輸入電源源類型檢測、輸入電壓限制閾值設(shè)置和DC/DC轉(zhuǎn)換器上電等步驟。

六、電池充電管理

（一）充電周期

在自主模式下，當(dāng)CHG_CONFIG = 1且nCE引腳拉低時(shí)，充電功能啟用。默認(rèn)模式下，SGM41516/SGM41516D按照預(yù)設(shè)參數(shù)運(yùn)行充電周期。當(dāng)滿足一定條件時(shí)，會開始新的充電周期，如NTC溫度無故障、安全定時(shí)器無故障、BATFET未被強(qiáng)制關(guān)閉、充電功能啟用且電池電壓低于編程的滿充電水平等。充電周期通常在充電電壓高于再充電閾值且充電電流低于終止閾值時(shí)結(jié)束。

（二）充電狀態(tài)報(bào)告

STAT引腳為開漏輸出，可驅(qū)動LED指示充電狀態(tài)。低電平表示正在充電，高電平表示充電完成或禁用，高低交替（閃爍）表示充電故障。CHRG_STAT[1:0]狀態(tài)寄存器通過兩位報(bào)告當(dāng)前充電階段和狀態(tài)。當(dāng)充電周期完成時(shí)，nINT引腳會發(fā)送負(fù)脈沖通知主機(jī)。

（三）充電配置文件

SGM41516/SGM41516D具有完整的電池充電配置文件，包括涓流充電、預(yù)充電、快速充電（恒流和恒壓）和頂部涓流充電五個(gè)階段。根據(jù)檢測到的電池狀態(tài)，選擇合適的階段開始或繼續(xù)充電周期。

（四）溫度限制

為了保護(hù)電池，當(dāng)電池溫度過冷或過熱時(shí)，充電電流和電壓會受到限制。設(shè)備通過熱敏電阻輸入監(jiān)測電池溫度，遵循JEITA指南進(jìn)行充電。在不同溫度范圍內(nèi)，充電電流和電壓會根據(jù)設(shè)置進(jìn)行調(diào)整。

七、保護(hù)特性

（一）電壓和電流監(jiān)測

在轉(zhuǎn)換器運(yùn)行過程中，會持續(xù)監(jiān)測輸入和系統(tǒng)電壓（VBUS和VSYS）以及開關(guān)電流，確保設(shè)備在降壓和升壓模式下的安全運(yùn)行。例如，當(dāng)VBUS電壓超過可編程的過壓限制時(shí)，轉(zhuǎn)換器開關(guān)會停止工作；在系統(tǒng)負(fù)載瞬變時(shí)，會鉗位系統(tǒng)電壓以保護(hù)系統(tǒng)組件。

（二）熱調(diào)節(jié)和關(guān)斷

內(nèi)部結(jié)溫會被持續(xù)監(jiān)測，以避免過熱。在降壓模式下，當(dāng)結(jié)溫超過120℃時(shí)，會降低充電電流以限制溫度；當(dāng)結(jié)溫超過150℃時(shí)，會觸發(fā)熱關(guān)斷保護(hù)。在升壓模式下，也有類似的熱保護(hù)機(jī)制。

（三）電池保護(hù)

包括電池過壓保護(hù)、過放電保護(hù)和系統(tǒng)過流保護(hù)。當(dāng)電池出現(xiàn)過壓、過放電或過流情況時(shí)，會采取相應(yīng)的保護(hù)措施，如停止充電、關(guān)閉BATFET等。

八、I2C串行接口和數(shù)據(jù)通信

SGM41516/SGM41516D采用標(biāo)準(zhǔn)的I2C接口進(jìn)行參數(shù)編程和狀態(tài)報(bào)告。I2C是一種常用的兩線串行通信接口，主機(jī)可以通過它與設(shè)備進(jìn)行雙向通信。在數(shù)據(jù)通信過程中，涉及到START和STOP條件、數(shù)據(jù)位傳輸和有效性、字節(jié)格式、確認(rèn)和非確認(rèn)、數(shù)據(jù)方向位和尋址等規(guī)則。同時(shí)，設(shè)備支持多讀取和多寫入功能，方便工程師進(jìn)行數(shù)據(jù)操作。

九、應(yīng)用信息

（一）設(shè)計(jì)流程

• 電感設(shè)計(jì)：由于采用了高頻（1.5MHz）開關(guān)轉(zhuǎn)換器，可使用較小的儲能元件（電感和電容）。電感應(yīng)能承受高于最大充電電流（ICHG）加上電感峰 - 峰紋波電流（?I）一半的電流而不飽和。電感紋波電流由輸入電壓、占空比、開關(guān)頻率和電感值決定，在實(shí)際設(shè)計(jì)中，電感峰 - 峰電流紋波通常選擇為最大直流電流的20%至40%，以在電感尺寸和效率之間取得良好的平衡。
• 輸入電容設(shè)計(jì)：選擇低ESR陶瓷輸入電容（X7R或X5R），其電壓和RMS紋波電流額定值應(yīng)足夠，用于去耦輸入開關(guān)紋波電流。在最壞情況下，電容的RMS電流約為ICHG/2。對于SGM41516/SGM41516D，應(yīng)將輸入電容跨接在PMID和GND引腳之間，靠近芯片，電容的電壓額定值應(yīng)至少比正常輸入電壓高25%。
• 輸出電容設(shè)計(jì)：輸出電容的RMS電流額定值應(yīng)足夠，以承載電感開關(guān)紋波并為系統(tǒng)瞬態(tài)電流需求提供足夠的能量。輸出電壓紋波可通過相關(guān)公式計(jì)算，增加L或COUT（LC濾波器）可以降低紋波。建議使用10V、X7R（或X5R）陶瓷電容作為輸出電容。
• 輸入電源考慮：為系統(tǒng)供電時(shí)，輸入電源的電壓范圍應(yīng)為3.9V至13.5V，電流額定值至少為100mA，或者連接電壓高于VBAT_UVLOZ的單節(jié)鋰離子電池到設(shè)備的BAT引腳。輸入源的電流額定值應(yīng)足夠，以允許充電器（降壓轉(zhuǎn)換器）向系統(tǒng)提供最大功率。

（二）布局指南

由于開關(guān)節(jié)點(diǎn)（SW）會產(chǎn)生高頻噪聲，因此設(shè)計(jì)合適的布局對于減少振鈴問題和噪聲產(chǎn)生至關(guān)重要。應(yīng)盡量減小電流路徑阻抗和環(huán)路面積，例如將輸入電容盡可能靠近芯片放置，連接電感時(shí)盡量靠近SW引腳，輸出電容的GND引腳應(yīng)靠近設(shè)備的GND引腳和輸入電容的GND引腳等。同時(shí)，對于模擬信號，應(yīng)使用單獨(dú)的模擬地（AGND），并將其僅在一點(diǎn)與GND引腳連接。

十、總結(jié)

SGM41516/SGM41516D高輸入電壓單節(jié)電池充電器以其高效、安全、靈活等特點(diǎn)，為電子設(shè)備的電池充電和電源管理提供了優(yōu)秀的解決方案。無論是在充電效率、輸入電壓范圍、安全保護(hù)還是功能特性方面，都表現(xiàn)出色。電子工程師們在設(shè)計(jì)相關(guān)電路時(shí)，可以充分利用其優(yōu)勢，打造出性能卓越的電子設(shè)備。你在使用類似充電器的過程中遇到過哪些問題呢？歡迎在評論區(qū)分享你的經(jīng)驗(yàn)和見解。