SGM41573：高性能I2C NVDC Buck-Boost充电控制器解析

在当今的电子设备领域，电池充电技术的发展日新月异，尤其是对于便携式设备，高效、稳定且功能丰富的充电控制器至关重要。SGM41573作为一款同步Buck - Boost电池充电控制器，具备NVDC电源路径管理功能，为1至4节电池的充电应用提供了高效且低元件数量的解决方案。下面，我们就来详细探讨一下这款充电控制器的特点、工作模式、寄存器配置以及应用设计要点。

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一、SGM41573的特性亮点

1. 多类型输入充电

SGM41573支持多种输入类型为1至4节电池充电，输入工作电压范围为3.58V至24V，涵盖了USB 2.0/3.0/3.1 (Type - C)/USB PD等常见输入源。它还能实现无缝的Buck ↔ Buck - Boost ↔ Boost转换，同时具备输入过载保护功能，确保充电过程的安全稳定。

2. 全面的监测功能

该控制器提供CPU节流、电源和电流监测功能，包括完整的nPROCHOT配置文件、输入电流监测、电池充放电电流监测以及系统功率监测，让用户对充电过程和系统状态了如指掌。

3. NVDC电源路径管理

NVDC电源路径管理是SGM41573的一大特色。它支持在电池耗尽或无电池的情况下实现即时开机，并且在适配器满载时可由电池进行补充供电。在补充模式下，还具备BATFET理想二极管仿真功能，提高了电源利用效率。

4. USB OTG功能

支持从电池为USB端口供电（USB OTG），OTG输出电压可在3V至20.56V之间调节，分辨率为8mV，输出电流限制最高可达6.35A，分辨率为50mA，满足了多种设备的供电需求。

5. 其他实用功能

此外，SGM41573还具备直通模式（PTM）以提高效率、(V_{IN}) 主动保护（VAP）模式、输入电流优化器以最大化功率提取、800kHz或1.2MHz可选的开关频率、I2C接口实现灵活的系统配置等功能。同时，它还集成了ADC用于电压/电流/功率监测，具有低电池静态电流和高精度的特点，并且在安全方面提供了热关断、输入/系统/电池过压保护以及输入/MOSFET/电感器过流保护等功能。

二、工作模式与工作流程

1. 电源启动模式

• 仅电池供电启动：当只有电池且 (V{BAT }>V{VBAT_UVLOZ }) 时，BATFET导通，将电池连接到系统。默认情况下，充电器以低功耗模式启动，主机可通过I2C将其切换到性能模式，在性能模式下，可启用IBAT缓冲区、PSYS、nPROCHOT和独立比较器等功能。
• 直流电源启动：连接直流电源后，首先检查输入电压，设置输入电流限制，然后启动LDO和偏置电路。具体的启动顺序为：当 (V{BUS}) 超过 (V{VBUS_CONVEN}) 50ms后，启用5.6V LDO并拉高CHRG_OK；进行劣质电源检测；设置输入电压和电流限制；读取CELL_BATPRESZ引脚电压以确定电池配置；最后启动转换器。

2. 充电与供电模式

• 正向模式：当合格的输入源连接到VBUS时，设备进入正向模式，调节系统输出并为电池充电。通过NVDC架构，即使电池完全耗尽，VSYS也能被调节到高于最小系统电压。电池充电采用恒流（CC）和恒压（CV）模式，主机可通过配置ChargeCurrent寄存器和MaxChargeVoltage寄存器来设置充电电流和电压。
• USB OTG模式：支持USB OTG功能，可将电池的电力传输到连接到USB端口的其他便携式设备。开启OTG模式需要满足一定条件，如VBAT不会导致SYSOVP触发、设置OTG输出电压和电流等，满足条件10ms后，转换器开始从电池生成OTG输出，VBUS上升到目标电压。
• 直通模式（PTM）：在轻负载或系统处于睡眠模式时，可将充电器切换到直通模式，此时Buck - Boost的上开关导通，下开关断开，将系统直接连接到电源，避免了开关和电感的核心损耗。进入和退出PTM模式需要进行相应的寄存器设置，并且在某些故障条件下，设备会自动退出PTM模式。

3. 保护模式

• 输入过压保护（ACOV）：当 (V_{BUS}) 超过ACOV阈值时，认为适配器过压，此时禁用转换器并拉低CHRGOK，当 (V{BUS}) 恢复正常时，转换器自动恢复工作。
• 输入过流保护（ACOC）：如果输入电流超过ACOC阈值，转换器停止切换，250ms后重试。
• 系统过压保护（SYSOVP）：根据CELL_BATPRESZ引脚设置SYSOVP阈值，当系统过压时，转换器锁定关闭，可通过写入0或重新插拔适配器来清除锁定。
• 电池过压保护（BATOVP）：当电池过压时，Buck - Boost停止切换，VSYS引脚开始吸收电流，直到 (V_{BAT}) 降至规定电压的102%以下。
• 电池短路保护：充电过程中，如果 (V{BAT}) 降至 (V{SYSMIN}) 以下，最大电流将限制在384mA。
• 系统短路打嗝模式：当系统电压 (V_{SYS}) 低于2.4V时，进入系统短路打嗝模式，充电器关闭500ms后重启10ms，若多次重启失败则锁定关闭。
• 电池放电过流保护（BATOC）：持续监测电池放电电流 (I{BAT}) ，当 (I{BAT }>I_{BAT_OC }) 时，触发BATOC，Buck - Boost停止切换。在OTG/VAP模式下，根据不同情况决定是否退出该模式。
• 总线过压保护（BUS OVP）：在OTG/VAP模式下，当 (V_{BUS }> 110%) OTGVoltage寄存器值时，触发BUS OVP，Buck - Boost停止切换，VBUS引脚开始吸收电流。
• 总线欠压保护（BUS UVP）：在OTG/VAP模式下，当 (V_{BUS }<85 %) OTGVoltage寄存器值时，触发OTG BUS UVP，根据不同情况决定是否退出OTG或VAP模式。
• 热关断保护（TSHUT）：当结温（TJ）超过 + 155℃时，转换器关闭，当TJ降至 + 135℃以下时，设备恢复正常工作。

三、寄存器配置与编程

SGM41573支持I2C写字或读字充电器协议命令，可通过I2C接口对其进行参数配置和状态读取。它具有45个8位寄存器，涵盖了充电选项、充电电流、充电电压、OTG参数、输入电压和电流限制等多个方面的设置。

1. 充电选项寄存器

• ChargeOption0寄存器：用于设置低功耗模式、看门狗定时器、IDPM自动禁用、OTG添加到CHRG_OK、PWM开关频率等功能的启用或禁用。
• ChargeOption1寄存器：可设置IBAT和PSYS缓冲区的启用、输入和充电电流感测电阻值、PSYS增益比、ILIM_HIZ引脚功能选择等。
• ChargeOption2寄存器：涉及峰值功率模式的相关设置，如输入过载时间、触发条件、状态位等，以及ACOC、BATOC等保护功能的启用和阈值设置。
• ChargeOption3寄存器：用于设置HIZ模式、ICO功能、OTG功能、VAP模式等的启用或禁用，以及电感平均电流钳位选择、OTG输出电压范围选择等。

2. 充电和监测寄存器

• ChargeCurrent寄存器：设置充电电流，使用10mΩ感测电阻时，充电电流范围为64mA至8.128A，分辨率为64mA。
• MaxChargeVoltage寄存器：设置充电电压，范围为1.024V至19.200V，分辨率为8mV。
• MinSystemVoltage寄存器：设置最小系统电压，范围为1.024V至16.128V，分辨率为256mV。
• IIN_HOST寄存器：设置输入电流限制，使用10mΩ感测电阻时，输入电流限制范围为50mA至6350mA，分辨率为50mA。
• IIN_DPM寄存器：报告由IIN_HOST或ICO算法编程的实际输入电流限制。
• InputVoltage寄存器：设置输入电压限制，当输入电压低于该值时，充电器进入VINDPM。
• OTGVoltage寄存器：设置OTG输出电压限制，范围为3V至20.56V。
• OTGCurrent寄存器：设置OTG输出电流限制。
• ADCVBUS/PSYS寄存器：提供输入电压和系统功率的数字输出。
• ADCIBAT寄存器：提供电池充放电电流的数字输出。
• ADCIINCMPIN寄存器：提供输入电流和CMPIN电压的数字输出。
• ADCVSYSVBAT寄存器：提供系统和电池电压的数字输出。

3. 状态寄存器

• ChargerStatus寄存器：反映充电器的当前状态，如输入是否存在、ICO是否完成、是否处于VAP模式、是否处于充电模式等。
• ProchotStatus寄存器：记录nPROCHOT事件的状态，如nPROCHOT脉冲扩展启用、最小nPROCHOT脉冲宽度、TSHUT故障状态、VAP故障状态等。

4. 编程注意事项

在进行寄存器编程时，有些I2C命令需要将两个8位寄存器组合在一起形成完整的值，如ChargeCurrent()、MaxChargeVoltage()等，需要先写入LSB命令，再在看门狗时间内写入MSB命令，否则命令将被忽略。同时，要注意寄存器的读写权限和默认值，以确保正确配置设备。

四、应用设计要点

1. 设计要求

在使用SGM41573进行设计时，需要根据实际应用确定输入电压、输入电流极限、电池充电电压、电池充电电流和最小系统电压等参数。例如，对于一个2节电池的应用，输入电压应在3.5V至24V之间，输入电流限制为3.2A（适用于65W适配器），电池充电电压为8400mV，电池充电电流为3072mA，最小系统电压为6144mV。

2. 电路元件选择

• ACN - ACP输入滤波器：由于SGM41573采用平均电流模式控制，正确感测输入电流至关重要。建议使用如图所示的滤波器来去除寄生噪声，避免寄生电感导致的高频振铃和电流环路不稳定问题。
• 电感选择：有两种固定开关频率可供选择，可选择较高的频率以减小电感和电容的值。电感饱和电流应满足在Buck模式下大于最大充电电流加上一半的峰 - 峰纹波电流，在Boost模式下大于最大输入电流加上一半的峰 - 峰纹波电流。通常选择电感值使纹波在最大充电电流的20%至40%之间，以平衡电感损耗和尺寸。
• 输入电容：输入电容必须能够承受电感纹波电流。在Buck模式和Boost模式下，分别使用相应的公式估算RMS电流。建议使用低ESR陶瓷电容进行输入去耦，并放置在电流感测电阻之前，尽可能靠近功率级。对于高功率应用，可考虑使用钽电容以避免DC偏置效应和温度变化效应。
• 输出电容：输出电容应具有足够的RMS电流额定值以承载电感开关纹波，并为系统瞬态电流需求提供足够的能量。分别根据Buck模式和Boost模式的公式计算输出电容的RMS电流和输出电压纹波。为了获得最佳稳定性，应在充电电流感测电阻之后至少放置一个10μF/0805电容。
• 功率MOSFET选择：充电器的同步开关转换器需要四个N通道MOSFET和一个P通道MOSFET作为BATFET。内部栅极驱动器提供5.6V驱动电压。为了在导通和开关损耗之间进行权衡，通常使用品质因数（FOM）来比较开关性能，较低的FOM值表示总损耗较小。建议选择30V或更高电压额定值的MOSFET，且N通道MOSFET的 (C_{iss}) 应小于1nF。

3. MOSFET栅极驱动

在某些应用中，为了优化EMI噪声，可能需要减慢MOSFET的dV/dt。建议在自举电容侧使用串联电阻或添加RC缓冲器，而不是添加串联栅极驱动电阻。

4. 电源供应建议

可使用电压范围为3.58V至24V、能够提供至少500mA电流的适配器。当CHRG_OK为高电平时，表示适配器通过充电器为系统供电；如果适配器移除，系统将通过BATFET连接到电池。通常，电池耗尽阈值应大于最小系统电压设置，以充分利用电池容量。

5. 布局指南

良好的布局对于开关充电器的正常性能至关重要。为了减少开关损耗，应尽量减小开关节点的硬开关上升和下降时间；为了减少高频路径的电磁耦合和噪声辐射，应尽量减小环路面积和导体表面。具体的PCB布局指南包括：将输入电容放置在开关支路的电源和接地连接点上，并与开关在同一层；保持器件靠近开关栅极引脚以最小化栅极驱动走线长度；将电感引脚尽可能靠近开关节点；将充电电流感测电阻放置在电感输出旁边；将一个输出电容放置在电池感测电阻旁边；将输入和输出电容的接地返回连接在一起，然后连接到系统接地；仅在器件下方的一个点连接充电器的电源和模拟接地；使用单独的路径连接模拟和电源接地；始终将去耦电容放置在器件引脚旁边；确保焊接器件的散热垫并使用适当的散热过孔将热量传导到电路板的背面接地平面；选择适当尺寸和数量的过孔用于每个电流路径。

五、总结

SGM41573作为一款功能强大的I2C NVDC Buck - Boost充电控制器，为1至4节电池的充电应用提供了全面的解决方案。它具有多种实用功能、灵活的寄存器配置和丰富的保护机制，能够满足不同便携式设备的充电需求。在应用设计过程中，合理选择电路元件、优化MOSFET栅极驱动、遵循布局指南等要点，将有助于充分发挥SGM41573的性能优势，实现高效、稳定的充电系统。电子工程师们在使用这款控制器时，可根据具体应用场景进行深入研究和调试，确保设计出的产品达到最佳性能。你在实际使用SGM41573的过程中遇到过哪些问题呢？欢迎在评论区分享交流。