SGM41603A：高效雙向開關(guān)電容轉(zhuǎn)換器的技術(shù)剖析與應(yīng)用指南

在電子設(shè)備不斷追求高性能、小型化的今天，電源管理芯片的性能和效率顯得尤為重要。SGM41603A作為一款I2C控制的10A雙向開關(guān)電容轉(zhuǎn)換器，為電源設(shè)計(jì)帶來了新的解決方案。本文將深入剖析SGM41603A的特性、工作原理、應(yīng)用電路及設(shè)計(jì)要點(diǎn)，希望能為電子工程師在實(shí)際設(shè)計(jì)中提供有價(jià)值的參考。

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一、SGM41603A概述

SGM41603A是一款集成了功率開關(guān)的高效2:1/1:2雙向開關(guān)電容轉(zhuǎn)換器。它在正向（2:1電壓分壓）時(shí)可提供10A的輸出電流，反向（1:2電壓倍增）時(shí)可提供5A的輸出電流。該器件通過插入2S電池組和1S負(fù)載輸入之間，能將2S Li+電源用作1S Li+解決方案，同時(shí)保留現(xiàn)有的1S電源架構(gòu)。當(dāng)V1X連接到1S電源時(shí)，它還可作為電壓倍增器使用。

特性亮點(diǎn)

1. 雙向轉(zhuǎn)換能力：支持2:1正向轉(zhuǎn)換和1:2反向轉(zhuǎn)換，滿足不同電源需求。
2. 高效性能：最高效率可達(dá)99.3%，在同類產(chǎn)品中表現(xiàn)出色。
3. 低電流消耗：正向工作時(shí)低電流僅為50μA，有助于降低功耗。
4. I2C接口：可靈活設(shè)置參數(shù)，如過流保護(hù)（OCP）、過壓鎖定（OVLO）、開關(guān)頻率閾值、軟啟動(dòng)電流和持續(xù)時(shí)間等。
5. 多種保護(hù)功能：具備過壓、欠壓、過流和熱保護(hù)，確保設(shè)備安全運(yùn)行。
6. 低EMI：內(nèi)置頻率抖動(dòng)選項(xiàng)，可有效降低干擾。

二、工作原理

開關(guān)電容轉(zhuǎn)換器（SCC）

SGM41603A采用開關(guān)電容轉(zhuǎn)換器技術(shù)，利用電容作為能量存儲(chǔ)和傳輸元件進(jìn)行DC/DC轉(zhuǎn)換。與使用電感的轉(zhuǎn)換器（如降壓轉(zhuǎn)換器）相比，SCC具有更高的效率、更小的解決方案尺寸和更低的成本。該器件為雙通道雙向2:1/1:2 SCC，在正向時(shí)，輸出（V1X）產(chǎn)生輸入電壓的一半（1/2 × VV2X）；在反向時(shí)，輸出（V2X）產(chǎn)生輸入電壓的兩倍（2 × VV1X），且具備5A的輸出能力。轉(zhuǎn)換器以固定50%的占空比工作，可自動(dòng)在正向和反向模式之間切換。為減少輸出電壓和電流紋波，轉(zhuǎn)換器由兩個(gè)通道組成，通道相位可選擇90°或180°。

使能輸入（EN）

EN引腳是SGM41603A的高電平有效使能輸入。當(dāng)EN引腳拉高并經(jīng)過消抖時(shí)間（tEN_DEG）后，首先進(jìn)行軟放電（tSFT_DISCHG），然后啟動(dòng)軟啟動(dòng)。只有在軟啟動(dòng)成功后，SCC才會(huì)完全激活。如果EN引腳拉低，SCC將在8ms（典型值）的EN下降消抖時(shí)間后關(guān)閉。tEN_DEG消抖時(shí)間和tSFT_DISCHG軟放電時(shí)間均可通過I2C編程設(shè)置。

啟動(dòng)和軟啟動(dòng)

• 正向啟動(dòng)：在正向啟動(dòng)過程中，當(dāng)PoorSRC資格定時(shí)器到期（tSFT_DISCHG）后，飛跨電容（CFLY）與輸出（V1X）電容并聯(lián)。正常運(yùn)行時(shí)，電容以I2C可調(diào)的軟啟動(dòng)電流（145mA - 580mA）充電至接近最終值（Vv2x / 2）。如果在tSS_FWD（正向軟啟動(dòng)時(shí)間）內(nèi)，經(jīng)過10次連續(xù)嘗試，輸出仍未達(dá)到接近Vv2x/2的電壓，則會(huì)產(chǎn)生FSS_FLT_INT（正向軟啟動(dòng)故障）中斷，設(shè)備返回待機(jī)狀態(tài)；若軟啟動(dòng)成功，則進(jìn)入正常運(yùn)行狀態(tài)。tSS_FWD軟啟動(dòng)時(shí)間可通過I2C設(shè)置。
• 反向啟動(dòng)：在反向啟動(dòng)時(shí)，當(dāng)V1X/V2X的PoorSRC資格定時(shí)器到期（tSFT_DISCHG），且V1X滿足以下兩個(gè)條件時(shí)，V2X將以ISS_RVS電流開始充電：
  • (V{V{1} x}>left(V{1} X{S W{-} F}+V X{S W_{-} H Y S}right))
  • (V{V{1} x}>left(V_{V 2 x} / 2+30 mVright)) 當(dāng)V2X電壓超過V2XVALID閾值時(shí)，V2XVALID位從0變?yōu)?，若未屏蔽，則會(huì)在IRQB引腳發(fā)送中斷信號(hào)。最終，若V2X達(dá)到((2 ~V{V 1 X}-V 2 X_{OCP 2}+20 mV))閾值，PGOOD輸出高電平（經(jīng)過0s或100ms延遲，由PGOOD_DELAY位設(shè)置），轉(zhuǎn)換器作為1:2 SCC開始全開關(guān)操作。如果V2X在tSS_RVS（反向軟啟動(dòng)時(shí)間）內(nèi)未達(dá)到V2XVALID，則會(huì)產(chǎn)生RVS_FLT_INT（反向軟啟動(dòng)故障）中斷，設(shè)備返回待機(jī)狀態(tài)。tSFT_DISCHG、ISS_RVS、tSS_RVS參數(shù)均可通過I2C調(diào)整。

跳過模式和固定頻率模式

在正常運(yùn)行時(shí)，轉(zhuǎn)換器以50%的占空比工作，開關(guān)頻率由SCC_CFG2寄存器（REG0x07）設(shè)置。

• 固定頻率模式：轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生未調(diào)節(jié)的輸出（正向模式下V1X引腳為VV2X/2，反向模式下V2X引腳為2 × VV1X）。
• 跳過模式：通過將REG0x06中的FIX_FREQ位設(shè)置為0，設(shè)備可在輕載時(shí)自動(dòng)進(jìn)入跳過模式。當(dāng)Vv1x輸出超過（VV2X / 2 - ΔVF2S_FWD）閾值時(shí)，設(shè)備進(jìn)入跳過模式；當(dāng)Vv1x低于（VV2X / 2 - ΔVS2F_FWD）閾值時(shí)，返回固定頻率模式。跳過模式可在輕載時(shí)節(jié)省功率，保持整個(gè)負(fù)載范圍內(nèi)的高效率，并使Vv1X輸出接近Vv2x/2。

音頻外（OOA）模式

當(dāng)SCC在跳過模式下運(yùn)行時(shí)，跳過頻率可能落入音頻范圍（20Hz - 20kHz），導(dǎo)致多層陶瓷電容和PCB產(chǎn)生可聽噪聲。SGM41603A提供的OOA模式功能，若啟用，可將最小跳過頻率保持在30kHz以上，避免音頻噪聲問題。

欠壓鎖定（UVLO）

當(dāng)VV2X低于V2X UMO_F、Vv1x低于V1XUVLO_F且VVAC低于VVAC_UVLO下降閾值時(shí)，SGM41603A將關(guān)閉。直到其中一個(gè)端口電壓超過其UVLO閾值（VV2X超過V2XUMO_R閾值、VV1X超過V1XUMO_R閾值或VVAC超過VVAC_UVLO上升閾值），設(shè)備才會(huì)重新啟動(dòng)。

頻率抖動(dòng)

開關(guān)轉(zhuǎn)換器的固定開關(guān)頻率會(huì)在EMI發(fā)射頻譜中產(chǎn)生高峰值。通過啟用頻率抖動(dòng)，開關(guān)頻率會(huì)在設(shè)定頻率附近的窄帶內(nèi)周期性變化，使發(fā)射能量分布在更寬的頻率范圍內(nèi)，從而降低發(fā)射峰值。該功能可通過I2C配置，可在整個(gè)合成開關(guān)頻率范圍（0.25MHz - 1.5MHz）內(nèi)禁用或設(shè)置為開關(guān)頻率的3%、6%或12%。

過流保護(hù)

SGM41603A在正向有兩級(jí)過流保護(hù)：

• V1X輸出電流監(jiān)測：監(jiān)測V1X輸出電流以進(jìn)行IV1X_OCP1過流保護(hù)。
• V1X和V2X電壓降檢測：為實(shí)現(xiàn)更快的短路保護(hù)，還會(huì)檢測V1X和V2X的電壓降（V1XOCP2）。若V1X輸出電流超過Ilv1X_OCP1或Vv1X低于（VV2X / 2 - V1X_OCP2），輸出將被禁用。IV1X_OCP1可通過I2C以1.1A的步長從13.2A設(shè)置到20.9A，V1XOCP2可關(guān)閉或從100mV調(diào)整到660mV，步長為40mV。

在反向，不僅監(jiān)測V1X輸入電流以檢測Ilv1X_OCP1過流，還會(huì)檢測V1X和V2X的電壓降以實(shí)現(xiàn)更快的短路保護(hù)（V2X_OCP2）。若Vv2X低于（2V1x - V2Xocp2），輸出將被禁用。V2XOCP2可從300mV設(shè)置到860mV，步長為40mV。

過溫報(bào)警和故障

芯片會(huì)監(jiān)測管芯溫度（TJ）以進(jìn)行熱保護(hù)。若TJ超過+155℃（TSHDN），設(shè)備進(jìn)入熱關(guān)斷狀態(tài)，T_SHDN_INT中斷位被設(shè)置。當(dāng)TJ下降約15℃時(shí)，熱關(guān)斷終止，SCC可再次啟用。此外，還有兩個(gè)額外的報(bào)警比較器，分別在+100℃和+120℃時(shí)觸發(fā)T_ALM1和T_ALM2中斷。

過壓鎖定保護(hù)

若V1X或V2X出現(xiàn)過壓，SCC輸出將被禁用。V2X的V2XOWP_R過壓閾值可在REG0x08[7:3]中從8.3V調(diào)整到11V，默認(rèn)值為10.5V；V1X的V1XOVP_R可在REG0x09[4:0]中從4.15V調(diào)整到5.5V，默認(rèn)值為5.3V。

轉(zhuǎn)換過流保護(hù)

CONV_OCP功能監(jiān)測功率MOSFET的轉(zhuǎn)換器開關(guān)工作電流。若在正向或反向模式下，QCLx或QDLx電流達(dá)到開關(guān)轉(zhuǎn)換OCP閾值，CONV_OCP_INT位將設(shè)置為1，并在IRQB引腳產(chǎn)生中斷，操作停止，芯片返回待機(jī)狀態(tài)。

故障后自動(dòng)重啟功能

SGM41603A具備兩個(gè)故障后自動(dòng)重啟功能。由于該芯片通常是系統(tǒng)電源，在大多數(shù)應(yīng)用中，故障后無法從外部重新啟用，因此自動(dòng)重啟功能至關(guān)重要。任何故障發(fā)生后，開關(guān)關(guān)閉，若啟用了主動(dòng)放電，將首先進(jìn)行主動(dòng)放電。之后，若滿足以下所有條件：

1. 故障條件消除。
2. EN高于VHH或SCC_EN = 1。
3. RESTART_EN位為1。
4. V1X或V2X電壓至少有一個(gè)高于其開關(guān)啟動(dòng)閾值（V1XSW_R或V2Xsw_R）。

則在等待時(shí)間（可通過WAIT_T[1:0]位調(diào)整）后，設(shè)備將啟動(dòng)軟啟動(dòng)。若RESTART_EN為0，則故障斷電后必須切換EN引腳才能啟用輸出。

三、I2C接口與通信

I2C從地址設(shè)置

ADDR引腳用于在POR過程中設(shè)置默認(rèn)I2C地址。在電源上電前，在ADDR和地之間放置一個(gè)10kΩ或更小的電阻，正常狀態(tài)下從地址將變?yōu)?x69；若ADDR在電源上電前保持浮空，從地址為0x68。

I2C接口通信

SGM41603A作為I2C從發(fā)送器/接收器，具有以下從地址：

• 從地址（7位）：1101 000或1101 001
• 從地址（寫）：0xD0（1101 0000）或0xD2（1101 0010）
• 從地址（讀）：0xD1（1101 0001）或0xD3（1101 0011）

I2C通信操作

• 起始和停止條件：當(dāng)總線空閑時(shí)，SDA和SCL均保持高電平。主設(shè)備在事務(wù)開始時(shí)通過在SCL為高電平時(shí)SDA線的高到低轉(zhuǎn)換發(fā)送START（S）條件，所有從設(shè)備將檢測到該條件。主設(shè)備在SCL為高電平時(shí)通過SDA線的低到高轉(zhuǎn)換發(fā)送一個(gè)或多個(gè)STOP（P）條件以終止事務(wù)并釋放總線。建議在電源上電后通過發(fā)送STOP條件來啟動(dòng)總線。主設(shè)備在與從設(shè)備完成一次完整事務(wù)后可能不釋放總線，而是發(fā)送重復(fù)START（Sr）以發(fā)起與從設(shè)備的新數(shù)據(jù)交換。
• 位傳輸：每個(gè)時(shí)鐘脈沖可傳輸一個(gè)數(shù)據(jù)位。在時(shí)鐘高電平期間，SDA線上的數(shù)據(jù)必須保持穩(wěn)定（滿足建立和保持時(shí)間），SDA在CLK高電平期間的轉(zhuǎn)換將被解釋為控制信號(hào)。
• I2C數(shù)據(jù)格式和確認(rèn)：數(shù)據(jù)以字節(jié)為單位傳輸。檢測到START條件后，發(fā)送器將逐位發(fā)送一個(gè)字節(jié)（8位）的數(shù)據(jù)，從最高有效位（MSB）開始。每個(gè)SCL脈沖將一個(gè)新位放置在SDA線上。發(fā)送第8位后，發(fā)送器在第9個(gè)SCL脈沖期間釋放SDA線，以接收接收器的確認(rèn)位。因此，每個(gè)字節(jié)總共交換9位。一次事務(wù)中的字節(jié)數(shù)不受限制。發(fā)送ACK位后，若接收器忙碌且無法傳輸另一個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)，它可以將SCL線拉低，使發(fā)送器處于等待狀態(tài)（時(shí)鐘拉伸）。當(dāng)接收器準(zhǔn)備好接收另一個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)時(shí)，它釋放時(shí)鐘線，數(shù)據(jù)傳輸可以繼續(xù)由主設(shè)備生成的時(shí)鐘進(jìn)行。第9位是接收器（從設(shè)備或主設(shè)備）的響應(yīng)，用于表示字節(jié)已接收。在第9個(gè)時(shí)鐘周期發(fā)送低電平被解釋為ACK。若接收器響應(yīng)高電平或根本不響應(yīng)，發(fā)送器將收到第9位的高電平，這被視為Not ACK（= NCK）。NCK表示接收器不再期望更多數(shù)據(jù)。因此，事務(wù)中最后一個(gè)字節(jié)的接收器響應(yīng)為NCK。它也可能表示通信鏈路存在問題（罕見）。第9位之后，主設(shè)備應(yīng)發(fā)送STOP或重復(fù)START（Sr）。主接收器必須在從設(shè)備輸出的最后一個(gè)字節(jié)上向發(fā)送器發(fā)出數(shù)據(jù)結(jié)束信號(hào)（NCK）。在這種情況下，發(fā)送器必須將SDA保持高電平，以使主設(shè)備能夠生成STOP條件。

I2C讀寫協(xié)議

• 主設(shè)備寫協(xié)議（寫模式）：主設(shè)備向從設(shè)備的特定寄存器地址或連續(xù)地址的一組寄存器寫入數(shù)據(jù)。
• 主設(shè)備讀協(xié)議（設(shè)置寄存器地址后讀數(shù)據(jù)）：主設(shè)備首先寫入所需的寄存器地址，然后讀取該寄存器的數(shù)據(jù)。
• 塊讀：主設(shè)備不設(shè)置寄存器地址讀取寄存器數(shù)據(jù)（讀模式）：可用于從第一個(gè)寄存器地址開始連續(xù)讀取寄存器。

I2C超時(shí)

在I2C通信中，有時(shí)會(huì)出現(xiàn)以下問題：

1. I2C設(shè)備由于接地噪聲或電源噪聲將SDA永久拉至地。
2. 由于主機(jī)中斷或電源關(guān)閉，SCL時(shí)鐘有時(shí)會(huì)消失。

對(duì)于SGM41603A，I2C電路在I2C接口激活后會(huì)一直監(jiān)測SCL和SDA線。當(dāng)SCL或SDA的低電平保持超過25ms時(shí)，I2C電路將返回空閑狀態(tài)，并無條件釋放SCL和SDA線。

四、應(yīng)用信息

輸入電容選擇（Cv2x或CV1X）

選擇輸入電容時(shí)，需考慮兩個(gè)因素：一是要能承受最大預(yù)期輸入浪涌電壓，并具有足夠的設(shè)計(jì)余量；二是要減少從輸入源汲取的峰值電流，降低輸入噪聲。Cv2x和Cv1x的選擇取決于有效串聯(lián)電阻（ESR），以最小化電壓紋波和負(fù)載階躍瞬變，以及確保操作穩(wěn)定所需的大容量電容。對(duì)于大多數(shù)應(yīng)用，總電容大于20μF的X5R或更好等級(jí)的陶瓷電容可獲得穩(wěn)定性能。設(shè)計(jì)時(shí)需考慮陶瓷電容的直流偏置效應(yīng)，隨著施加電壓接近額定值，電容值會(huì)減小。X5R和X7R類型的電容因其對(duì)直流偏置和溫度的穩(wěn)定性，應(yīng)作為首選。對(duì)于所有陶瓷電容，直流偏置效應(yīng)在較小尺寸的封裝中更為明顯，因此建議使用盡可能大的封裝尺寸。此外，應(yīng)選擇具有足夠電壓額定值設(shè)計(jì)余量的輸入電容，以適應(yīng)最壞情況下的瞬態(tài)輸入電壓。

飛跨電容選擇（CFLY）

選擇飛跨電容的電容值時(shí)，電流額定值和ESR是關(guān)鍵參數(shù)。這些電容偏置到V1X電壓，其電壓額定值應(yīng)足夠高，以避免因直流偏置導(dǎo)致電容值下降。CFLY的選擇需要在效率和功率密度之間進(jìn)行權(quán)衡。較小的CFLY電容會(huì)增加輸出電壓/電流紋波，降低效率；較大的CFLY電容則可減少輸出紋波，提高效率。每個(gè)通道的CFLY可根據(jù)以下公式計(jì)算： [C{F L Y}=frac{I{V 1 X}}{4 f{S W} V{C F L Y _R P P}}] 初始時(shí)，可將電壓紋波設(shè)置為輸出電壓的2%： [C{FLY}=frac{I{V 1 x}}{8 % f{SW} V{V_{1} x}}] 其中，IV1X是V1X輸入/輸出電流，fSW是開關(guān)頻率，VCFLY_RPP是CFLY上的峰 - 峰電壓紋波。開關(guān)頻率可使用REG0x07中的FREQ[2:0]位設(shè)置（默認(rèn)值為500kHz）。較低的開關(guān)頻率可提高輕載時(shí)的效率，但會(huì)增加電壓/電流紋波。

輸出電容設(shè)計(jì)（CV2X或Cv1x）

CV2X或Cv1x輸出電容的選擇與CFLY電容類似。更多的輸出電容可減小輸出電壓紋波。