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

在當(dāng)今的電子設(shè)備領(lǐng)域，電池充電技術(shù)的發(fā)展日新月異，尤其是對于便攜式設(shè)備，高效、穩(wěn)定且功能豐富的充電控制器至關(guān)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(yīng)用提供了高效且低元件數(shù)量的解決方案。下面，我們就來詳細(xì)探討一下這款充電控制器的特點(diǎn)、工作模式、寄存器配置以及應(yīng)用設(shè)計要點(diǎn)。

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一、SGM41573的特性亮點(diǎn)

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(shí)現(xiàn)無縫的Buck ? Buck - Boost ? Boost轉(zhuǎn)換，同時具備輸入過載保護(hù)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(shí)現(xiàn)即時開機(jī)，并且在適配器滿載時可由電池進(jìn)行補(bǔ)充供電。在補(bǔ)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(diào)節(jié)，分辨率為8mV，輸出電流限制最高可達(dá)6.35A，分辨率為50mA，滿足了多種設(shè)備的供電需求。

5. 其他實(shí)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(hù)（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(guān)頻率、I2C接口實(shí)現(xiàn)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(diǎn)，并且在安全方面提供了熱關(guān)斷、輸入/系統(tǒng)/電池過壓保護(hù)以及輸入/MOSFET/電感器過流保護(hù)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(dāng)只有電池且 (V{BAT }>V{VBAT_UVLOZ }) 時，BATFET導(dǎo)通，將電池連接到系統(tǒng)。默認(rèn)情況下，充電器以低功耗模式啟動，主機(jī)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(dú)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(shè)置輸入電流限制，然后啟動LDO和偏置電路。具體的啟動順序?yàn)椋寒?dāng) (V{BUS}) 超過 (V{VBUS_CONVEN}) 50ms后，啟用5.6V LDO并拉高CHRG_OK；進(jìn)行劣質(zhì)電源檢測；設(shè)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(zhuǎn)換器。

2. 充電與供電模式

• 正向模式：當(dāng)合格的輸入源連接到VBUS時，設(shè)備進(jìn)入正向模式，調(diào)節(jié)系統(tǒng)輸出并為電池充電。通過NVDC架構(gòu)，即使電池完全耗盡，VSYS也能被調(diào)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(jī)可通過配置ChargeCurrent寄存器和MaxChargeVoltage寄存器來設(shè)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?shù)竭B接到USB端口的其他便攜式設(shè)備。開啟OTG模式需要滿足一定條件，如VBAT不會導(dǎo)致SYSOVP觸發(fā)、設(shè)置OTG輸出電壓和電流等，滿足條件10ms后，轉(zhuǎn)換器開始從電池生成OTG輸出，VBUS上升到目標(biāo)電壓。
• 直通模式（PTM）：在輕負(fù)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(guān)導(dǎo)通，下開關(guān)斷開，將系統(tǒng)直接連接到電源，避免了開關(guān)和電感的核心損耗。進(jìn)入和退出PTM模式需要進(jìn)行相應(yīng)的寄存器設(shè)置，并且在某些故障條件下，設(shè)備會自動退出PTM模式。

3. 保護(hù)模式

• 輸入過壓保護(hù)（ACOV）：當(dāng) (V_{BUS}) 超過ACOV閾值時，認(rèn)為適配器過壓，此時禁用轉(zhuǎn)換器并拉低CHRGOK，當(dāng) (V{BUS}) 恢復(fù)正常時，轉(zhuǎn)換器自動恢復(fù)工作。
• 輸入過流保護(hù)（ACOC）：如果輸入電流超過ACOC閾值，轉(zhuǎn)換器停止切換，250ms后重試。
• 系統(tǒng)過壓保護(hù)（SYSOVP）：根據(jù)CELL_BATPRESZ引腳設(shè)置SYSOVP閾值，當(dāng)系統(tǒng)過壓時，轉(zhuǎn)換器鎖定關(guān)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(hù)（BATOVP）：當(dāng)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(hù)：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(dāng)系統(tǒng)電壓 (V_{SYS}) 低于2.4V時，進(jìn)入系統(tǒng)短路打嗝模式，充電器關(guān)閉500ms后重啟10ms，若多次重啟失敗則鎖定關(guān)閉。
• 電池放電過流保護(hù)（BATOC）：持續(xù)監(jiān)測電池放電電流 (I{BAT}) ，當(dāng) (I{BAT }>I_{BAT_OC }) 時，觸發(fā)BATOC，Buck - Boost停止切換。在OTG/VAP模式下，根據(jù)不同情況決定是否退出該模式。
• 總線過壓保護(hù)（BUS OVP）：在OTG/VAP模式下，當(dāng) (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(hù)（BUS UVP）：在OTG/VAP模式下，當(dāng) (V_{BUS }<85 %) OTGVoltage寄存器值時，觸發(fā)OTG BUS UVP，根據(jù)不同情況決定是否退出OTG或VAP模式。
• 熱關(guān)斷保護(hù)（TSHUT）：當(dāng)結(jié)溫（TJ）超過 + 155℃時，轉(zhuǎn)換器關(guān)閉，當(dāng)TJ降至 + 135℃以下時，設(shè)備恢復(fù)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(xié)議命令，可通過I2C接口對其進(jìn)行參數(shù)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(xiàng)、充電電流、充電電壓、OTG參數(shù)、輸入電壓和電流限制等多個方面的設(shè)置。

1. 充電選項(xiàng)寄存器

• ChargeOption0寄存器：用于設(shè)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(guān)頻率等功能的啟用或禁用。
• ChargeOption1寄存器：可設(shè)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(guān)設(shè)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(hù)功能的啟用和閾值設(shè)置。
• ChargeOption3寄存器：用于設(shè)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(shè)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(shè)置充電電壓，范圍為1.024V至19.200V，分辨率為8mV。
• MinSystemVoltage寄存器：設(shè)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(shè)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(shí)際輸入電流限制。
• InputVoltage寄存器：設(shè)置輸入電壓限制，當(dāng)輸入電壓低于該值時，充電器進(jìn)入VINDPM。
• OTGVoltage寄存器：設(shè)置OTG輸出電壓限制，范圍為3V至20.56V。
• OTGCurrent寄存器：設(shè)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(shù)字輸出。
• ADCIBAT寄存器：提供電池充放電電流的數(shù)字輸出。
• ADCIINCMPIN寄存器：提供輸入電流和CMPIN電壓的數(shù)字輸出。
• ADCVSYSVBAT寄存器：提供系統(tǒng)和電池電壓的數(shù)字輸出。

3. 狀態(tài)寄存器

• ChargerStatus寄存器：反映充電器的當(dāng)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(kuò)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(xiàng)

在進(jìn)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(nèi)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(quán)限和默認(rèn)值，以確保正確配置設(shè)備。

四、應(yīng)用設(shè)計要點(diǎn)

1. 設(shè)計要求

在使用SGM41573進(jìn)行設(shè)計時，需要根據(jù)實(shí)際應(yīng)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(shù)。例如，對于一個2節(jié)電池的應(yīng)用，輸入電壓應(yīng)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(guān)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(dǎo)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(guān)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(yīng)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(yīng)的公式估算RMS電流。建議使用低ESR陶瓷電容進(jìn)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(yīng)用，可考慮使用鉭電容以避免DC偏置效應(yīng)和溫度變化效應(yīng)。
• 輸出電容：輸出電容應(yīng)具有足夠的RMS電流額定值以承載電感開關(guān)紋波，并為系統(tǒng)瞬態(tài)電流需求提供足夠的能量。分別根據(jù)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(yīng)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(guān)轉(zhuǎn)換器需要四個N通道MOSFET和一個P通道MOSFET作為BATFET。內(nèi)部柵極驅(qū)動器提供5.6V驅(qū)動電壓。為了在導(dǎo)通和開關(guān)損耗之間進(jìn)行權(quán)衡，通常使用品質(zhì)因數(shù)（FOM）來比較開關(guān)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(yīng)小于1nF。

3. MOSFET柵極驅(qū)動

在某些應(yīng)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(cè)使用串聯(lián)電阻或添加RC緩沖器，而不是添加串聯(lián)柵極驅(qū)動電阻。

4. 電源供應(yīng)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(dāng)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(yīng)大于最小系統(tǒng)電壓設(shè)置，以充分利用電池容量。

5. 布局指南

良好的布局對于開關(guān)充電器的正常性能至關(guān)重要。為了減少開關(guān)損耗，應(yīng)盡量減小開關(guān)節(jié)點(diǎn)的硬開關(guān)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(yīng)盡量減小環(huán)路面積和導(dǎo)體表面。具體的PCB布局指南包括：將輸入電容放置在開關(guān)支路的電源和接地連接點(diǎn)上，并與開關(guān)在同一層；保持器件靠近開關(guān)柵極引腳以最小化柵極驅(qū)動走線長度；將電感引腳盡可能靠近開關(guān)節(jié)點(diǎn)；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(diǎn)連接充電器的電源和模擬接地；使用單獨(dú)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(dāng)?shù)纳徇^孔將熱量傳導(dǎo)到電路板的背面接地平面；選擇適當(dāng)尺寸和數(shù)量的過孔用于每個電流路徑。

五、總結(jié)

SGM41573作為一款功能強(qiáng)大的I2C NVDC Buck - Boost充電控制器，為1至4節(jié)電池的充電應(yīng)用提供了全面的解決方案。它具有多種實(shí)用功能、靈活的寄存器配置和豐富的保護(hù)機(jī)制，能夠滿足不同便攜式設(shè)備的充電需求。在應(yīng)用設(shè)計過程中，合理選擇電路元件、優(yōu)化MOSFET柵極驅(qū)動、遵循布局指南等要點(diǎn)，將有助于充分發(fā)揮SGM41573的性能優(yōu)勢，實(shí)現(xiàn)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(jù)具體應(yīng)用場景進(jìn)行深入研究和調(diào)試，確保設(shè)計出的產(chǎn)品達(dá)到最佳性能。你在實(shí)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。