MAX20094/MAX20095：备份电池充电器与升压控制器的卓越之选

在电子设备的设计中，备份电池充电器和升压控制器是保障系统稳定运行的关键组件。今天，我们要深入探讨的是Analog Devices推出的MAX20094/MAX20095，这两款IC在备份电池充电和升压控制领域表现出色，为电子工程师提供了强大的解决方案。

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一、产品概述

MAX20094/MAX20095将可配置的恒流/恒压（CC/CV）电池充电器与高效同步升压控制器相结合。当主电源丢失时，它能够为关键系统提供电力。此外，还具备诊断功能，可检查电池的健康状态（SOH）和IC的功能。充电阈值和升压输出电压可配置，以支持常见的电池化学类型和各种电池数量。其2.2MHz的开关频率有助于通过最小化电感器尺寸来降低系统成本，同时还包括精密的电池SOH检查，并具有将备用电池（BUB）的泄漏电流降至最低的内置功能。该产品采用28引脚（5mm x 5mm）可侧焊TQFN封装，并且符合AECQ - 100标准，适用于汽车环境。

二、主要特性与优势

2.1 高效解决方案

• 同步升压：具备最低2V的同步升压功能，采用n沟道FET控制，在轻负载时可保证高效运行。例如，在1mA负载下，跳过模式可确保效率大于50%。
• 多功能集成：集成了3V至6V的CC/CV电池充电器，充电电流可通过I²C设置，最大可达1A。同时，I²C可选择CV电压和CC电流水平，还提供p沟道负载断开的栅极驱动器输出以及备用电池切换触发信号。

2.2 精确诊断与监测

• 电池健康监测：具备备用电池的状态监测功能，可通过I²C接口进行诊断和控制。内置精确的内部电流吸收器，用于电池阻抗测量，并可模拟读取来自备用电池的内部吸收电流，还支持BATT_电压的远程感应。
• I²C接口：通过I²C接口，工程师可以方便地配置和监控设备的运行状态，实现对充电过程和升压控制的精确调整。

2.3 适应汽车环境

• 宽电压范围：输入电压范围为3.5V至36V，可耐受40V的负载突降。与电池连接的引脚泄漏电流小于1μA，确保在汽车复杂的电气环境中稳定工作。
• 宽温度范围：工作温度范围为 - 40°C至 + 125°C，能够适应各种恶劣的汽车工作环境。
• 可侧焊封装：28引脚可侧焊TQFN封装，便于光学检查，提高了生产效率和产品质量。

三、电气特性详解

3.1 升压控制器

• 电源电压范围：正常工作时为4.5V至36V，短时间（t < 1s）可耐受40V。备用电池欠压锁定阈值可联系厂家获取不同选项。
• 关断电源电流：通过I²C禁用升压功能，当VSUP2 = 12V且VEN1B = 0V时，关断电源电流仅为10μA，有助于降低功耗。

3.2 电池充电器

• 电源电压范围：为0V至6.5V，充电时的欠压阈值下降为3.3V，上升为3.5V。充电器禁用时，在 +25°C下的泄漏电流小于10μA。
• 充电参数：SUP1至BATTP的导通电阻典型值为250mΩ。通过I²C可设置BUB电压，范围为3.0V至6.0V，输出电压精度可达±1%。快速充电电流可通过I²C设置，范围为0.05A至1A，预充电电流在V BUB = 0至2.0V时为40至60mA。

3.3 其他特性

• 内部LDO偏置：内部偏置电压在VSUP2 > 6V时为5V，偏置欠压锁定阈值上升为3.0V，下降为2.5V。
• 电池状态监测：SNK电流范围可通过I²C控制，为0至2A，SNK电流精度在I = 0.5A、V BATT_ = 3.3V时为±10%。AVI电压测量范围为0至3V，AVB电压测量范围为0至6V。

四、典型应用电路与工作模式

4.1 充电器工作模式

充电器的正常工作模式是为备用电池（BUB）充电。其工作过程由一个状态机控制，包括以下几个阶段：

• 关闭状态：当CONTROL/CHG_EN = 0，或START_BIASRDY = 0，或芯片温度高于热关断阈值时，充电器处于关闭状态。
• 待机状态：当CONTROL/CHG_EN = 1，偏置建立（START_BIASRDY = 1）且芯片温度低于热关断阈值时，充电器进入待机状态，启动一个15μs的定时器，使充电器的内部偏置和比较器稳定。
• 预充电状态：充电器进入50mA电流限制的充电模式（PREQUAL），直至VBUB超过VPQVTHR。
• 恒流充电状态：开始快速充电过程，以恒流模式（FAST_CHG_CC）进行。充电电流通过CHGR_CC（05h）寄存器编程设置。
• 恒压充电状态：当VBUB超过VCVTHR时，充电器进入恒压模式（FAST_CHG_CV）。当充电电流ICHG低于50mA时，快速充电操作完成，进入FAST_CHG_DONE模式。

4.2 升压控制器工作模式

升压控制器在主电池故障时，利用备用电池（BUB）为SUP2引脚维持稳定的电源电压。它是一个同步电流模式控制器，具有工厂预设的输出电压。开关频率大于2MHz，在轻负载时采用脉冲频率调制（PFM）模式，以延长电池寿命。当输出电压高于所需的升压电压时，自动进入超低I Q待机模式；当输出电压接近所需升压电压时，自动进入唤醒模式，并向主机发送离散信号表示已唤醒。

五、I²C接口通信

MAX20094/MAX20095通过I²C兼容的串行接口进行通信，允许用户配置和监控设备的运行。I²C接口的主要特点包括：

• 串行寻址：I²C端口作为目标设备，通过I²C/SMBus兼容的2线串行接口发送和接收数据。使用串行数据访问（SDA）线和串行时钟线（SCL）实现控制器与目标设备之间的双向通信。
• 数据传输：每个SCL周期传输一个数据位，SDA上的数据在SCL脉冲的高电平期间必须保持稳定。START条件表示传输的开始，STOP条件表示传输的结束。
• 写操作：控制器通过发送正确的目标地址、寄存器/命令和数据字来与设备通信。每个传输序列由START或Repeated START条件和STOP条件框定。
• 读操作：支持标准的组合格式I²C读模式操作，每个接收序列同样由START或Repeated START条件和STOP条件框定。

六、寄存器配置

该产品提供了一系列寄存器，用于配置和监控设备的各种功能。以下是一些主要寄存器的介绍：

• CHIP_ID（0x00）：只读寄存器，提供芯片和硅版本的信息。
• CHGR_STATUS（0x01）：只读寄存器，提供充电器的运行模式和相关电源1电压状态的信息。
• GEN_STATUS（0x02）：只读寄存器，提供IC内部所有模块的状态和运行信息。
• EN_INT（0x03）：读写寄存器，控制STATUSB输出引脚的操作。
• CONTROL（0x04）：读写寄存器，用于启用/禁用设备的各种功能。
• CHGR_CC（0x05）：读写寄存器，设置恒流操作期间的快速充电电流。
• CHGR_CV（0x06）：读写寄存器，设置切换到恒压操作所需的充电器调节电压。
• SOH（0x07）：读写寄存器，设置电池健康状态（SOH）测量期间的用户可编程吸收电流。
• SW_RST（0x08）：只写寄存器，将整个器件重置为原始默认条件。
• NO_OP（0xFF）：读写寄存器，对器件内部无影响。

七、应用设计要点

7.1 升压转换器设计

• 电感选择：电感的大小取决于占空比和频率。开关导通时电感电流上升，关断时下降。较高的开关频率通常可改善瞬态响应并减小组件尺寸，但在非升压操作期间将升压组件用作输入滤波器组件时，低频更具优势。电感值可根据公式 (L[mu H]=frac{V{IN} × D}{f{SW}(MHz) × LIR}) 计算，其中 (D=left(V{OUT }-V{IN }right) / V{OUT }) ， (V{IN}) 为典型输入电压， (V_{OUT }) 为典型输出电压， (LIR) 为电感峰 - 峰交流电流与直流平均电流之比。
• MOSFET选择：升压转换器中使用的n沟道MOSFET必须是逻辑电平类型，在 (V{GS}=4.5 ~V) 时具有保证的导通电阻规格，并且能够提供最大输入电流 (I{IN(MAX)}=I{LOAD(MAX)} × frac{D{MAX}}{1-D_{MAX}}) 。
• 电容选择：输入电容需要考虑最小输入电容值和最大ESR，可通过公式 (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}}) 计算。输出电容需要满足在升压MOSFET导通时为负载提供电流的要求，其值可通过公式 (C{OUT }=frac{I{OUT } × D{MAX }}{Delta V{Q} × f_{SW}}) 计算。
• 分流电阻选择：电流检测电阻（ (R{CS}) ）连接在电池和电感之间，用于设置电流限制。其值可根据公式 (R{CS{-}}=frac{V{CS}}{I{IN(MAX)}}) 计算，其中 (I{IN(MAX)}) 是在满载和最小 (V_{IN}) 时流经MOSFET的峰值电流。

7.2 PCB布局建议

• 布局原则：为了实现低开关损耗和干净、稳定的操作，需要进行精心的PCB布局。应将所有功率组件尽可能安装在电路板的顶层，使其接地端子相互紧贴。
• 具体建议：保持大电流路径短，特别是在接地端子处；保持功率走线和负载连接短，使用厚铜PCB可提高满载效率；通过连接CSP和CSN并使用开尔文检测方法，减少电流检测误差；将高速开关节点（BST、LX、DH和DL）远离敏感的模拟区域（SUP2、CSP和CSN）。

八、总结

MAX20094/MAX20095是一款功能强大、性能卓越的备份电池充电器和升压控制器，适用于汽车远程信息处理电池备份、单节或多节电池备份系统等应用场景。其丰富的功能、可配置的参数以及对汽车环境的适应性，为电子工程师在设计可靠的电源系统时提供了一个优秀的选择。在实际应用中，工程师需要根据具体的设计要求，合理选择组件参数，并进行精心的PCB布局，以充分发挥该产品的性能优势。大家在使用这款产品的过程中有遇到什么问题，或者有其他更好的应用经验，欢迎在评论区一起交流探讨。