SGM41606S：高效单电池8A开关电容并行充电器

在当今电子设备对快速充电需求日益增长的背景下，一款性能卓越的电池充电器显得尤为重要。SGM41606S作为一款I2C控制的单电池8A开关电容并行充电器，凭借其独特的设计和丰富的功能，为电子设备的充电解决方案提供了强大支持。下面就让我们深入了解一下这款充电器。

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一、产品概述

SGM41606S是一款高效的8A开关电容电池充电设备，具备I2C控制功能，可在电荷泵分压器模式或旁路模式下运行。它能够在3.6V至12V的宽输入电压范围（VBUS）内，对单节Li - Ion或Li - polymer电池进行充电，适用于智能壁式适配器或移动电源等多种电源。其开关电容架构针对50%占空比进行了优化，可将输入电流降至电池电流的一半，有效减少了应用中的布线压降、损耗和温升。

二、产品特性

（一）高效开关电容架构

• 高输出电流：最大输出电流可达8A，能满足快速充电需求。
• 宽输入电压范围：支持3.6V至12V的输入电压，增强了电源的兼容性。
• 灵活的开关频率设置：开关频率可在187.5kHz至1.5MHz之间设置，方便根据不同应用场景进行调整。
• 高电压分压器模式效率：当(V{BAT}=4V)，(I{BAT}=2A)时，电压分压器模式效率可超过98%。

（二）双输入电源选择

通过集成的多路复用器控制和外部OVPFET驱动器，支持双输入配置，同时也支持无OVPFET或仅使用单个OVPFET的单输入模式。

（三）集成可编程保护功能

具备输入过压保护（VBUS_OVP）、电池过压保护（VBAT_OVP）、输入过流保护（IBUS_OCP）等多种保护功能，确保充电过程的安全性。

（四）并行充电支持

通过同步两个SGM41606S器件，可实现高达13A的充电电流。

（五）10通道16位ADC转换器

可对VAC1、VAC2、VBUS、IBUS、VOUT、VBAT、IBAT、TSBUS、TSBAT、TDIE等参数进行监测，为充电管理主机提供详细的系统信息。

三、工作模式

（一）电荷泵分压器模式

该模式以固定的50%占空比运行。以开关电容的两个通道之一为例，在周期1中，Q1和Q3导通，(V{PMID})对(C{FLY})和电池进行串联充电；在周期2中，Q2和Q4导通，(C{FLY})与电池并联。通过相关公式计算，可得出电容电压和输入输出电流的关系。在低开关频率下，电容电荷共享损耗占主导；随着频率增加，有效输入输出电阻(R{EFF})最终接近((R_{DSQCH}+R{DSQDH}+R{DSQCL}+R{DS_QDL})/2)。两通道交错操作确保了平滑的输入电流，简化了噪声滤波。

（二）旁路模式

当(V{BUS})接近(V{OUT})时，SGM41606S可进入旁路模式。通过设置(ENBYPASS = 1)，VBUS和VOUT之间的所有开关完全导通，其他开关保持关闭。此时，输出电压接近(V{BUS})减去由RBFET和两个通道的两个高端开关的导通电阻引起的电压降。旁路模式在(V{BUS})接近(V{OUT})时具有最佳效率，能够提供高达5A的充电电流。

四、充电系统与启动序列

（一）充电系统

SGM41606S是一个从充电器设备，需要一个主机。主机必须设置所有保护功能，并在启用SGM41606S之前禁用主充电器。在充电过程中，主机需要监测nINT中断，特别是在大电流充电时，同时还需与壁式适配器通信以控制充电电流。

（二）启动序列

SGM41606S由VAC1、VAC2、VBUS或VOUT中较大的电压供电。当(V{OUT})高于(V{OUT_UVLOR})，或(V{AC1})、(V{AC2})或(V{BUS})高于各自的欠压锁定（UVLO）上升阈值时，(I^{2}C)接口准备好进行通信，所有寄存器重置为默认值。设备上电后不会立即开始充电，默认情况下充电器禁用，但ADC可以启用，主机可以在启用充电之前读取系统参数。只有当(V{BUS}>V{BUS_PRESENTR})且(V{OUT}>V_{OUT_PRESENT_R})时，才能启用充电。

五、输入配置与OTG模式

（一）输入配置

SGM41606S具有两个ACDRV引脚，可驱动两组背靠背的N沟道MOSFET，用于选择和管理来自两个不同输入源（如有线和无线输入源）的输入电源。该设备支持四种输入配置：无外部FET的单输入、仅使用一个ACFET的单输入、使用一组ACFET - RBFET的双输入以及使用两组ACFET - RBFET的双输入。不同配置下，相关引脚的连接和控制功能有所不同。

（二）OTG模式

如果开关充电器工作在OTG模式，且两组背靠背的N沟道MOSFET由SGM41606S控制，则需要手动开启或关闭它们，具体取决于所需的OTG输出端口。当发生VAC1_OVP、VAC2_OVP或VBUS_OVP故障时，相应的外部OVPFET将关闭。进入OTG模式需要按照特定步骤操作，退出OTG模式也有相应的流程。

六、保护功能

（一）输入过压保护（VAC1_OVP、VAC2_OVP）

监测VAC1/VAC2引脚的适配器电压，通过ACDRV1/ACDRV2输出控制外部OVPFET。当(V{AC1})高于(V{AC_PRESENTR})且满足一定条件时，ACDRV1输出驱动信号开启ACFET1 - RBFET1；当(V{AC1})达到(V_{AC_OVP_R})阈值时，ACFET1 - RBFET1关闭。

（二）输入短路保护（VBUS_SCP）

监测VBUS引脚是否短路。当外部OVPFET开启或(V{BUS})高于(V{BUS_PRESENTR})时，该功能启用。如果(V{BUS})低于2V，充电停止，CHG_EN位重置为0，相关状态和标志位设置为1，并产生一个INT脉冲。设备将等待760ms后自动重新启用并启动启动序列。

（三）其他保护功能

还包括输入、输出和电池过压保护（VBUS_OVP、VOUT_OVP和VBAT_OVP）、输入和电池过流保护（IBUS_OCP和IBAT_OCP）、输入欠流保护（IBUS_UCP）、CFLY诊断（CFLY_SHORT）、转换器峰值过流保护（PEAK_OCP）、TDIE过温保护（TDIE_OTP）以及电池和电缆连接器温度监测（TSBAT_FLT和TSBUS_FLT）等功能，确保设备在各种异常情况下的安全性。

七、寄存器映射

SGM41606S的所有寄存器均为8位，各个位从D[0]（LSB）到D[7]（MSB）命名。通过I2C寄存器地址映射，可以对设备的各种功能进行配置和监测，包括模式设置、保护阈值设置、状态和标志位读取等。

八、应用信息

（一）电容选择

• 输入电容：选择输入电容时，需要考虑足够的电压裕量以应对最大浪涌电压，同时避免过大的电压裕量以限制从电源汲取的峰值电流并减少输入噪声。对于(C{VAC1})、(C{VAC2})和(C{VBUS})，应使用低ESR旁路陶瓷电容，并靠近VAC1/VAC2/VBUS和GND引脚放置。(C{PMID})由稳定运行所需的最小电容和最小化电压纹波和负载阶跃瞬变所需的ESR决定。
• 飞电容（(C_{FLY})）：选择(C{FLY})电容时，电流额定值、ESR和偏置电压降额是关键参数。为了在效率和功率密度之间进行权衡，可将(C{FLY})电压纹波设置为(V{OUT})的2%作为起点。通过公式(C{FLY}=frac{I{BAT}}{4f{SW}V_{CFLYRPP}}=frac{I{BAT}}{8%f{SW}V{DC{CFLY}}})可计算每个通道的(C{FLY})电容值。
• 输出电容（(C_{VOUT})）：(C{VOUT})的选择标准与(C{FLY})电容类似。较大的(C{VOUT})值可减少输出电压纹波，但由于双通道操作，(C{VOUT})的RMS电流远小于(C{FLY})，因此可以选择较小的电容值。通过公式(C{VOUT}=frac{I{BAT} × t{DEAD}}{0.5 × V_{VOUTRPP}})可计算(C{VOUT})电容值。

（二）PCB布局指南

良好的PCB布局对于SGM41606S的稳定运行至关重要。应遵循以下指南：

• 使用短而宽的走线来传输高电流的VBUS。
• 尽可能减少连接器，因为连接器在高电流下的损耗较为显著。
• 使用实心热过孔以实现更好的散热。
• 尽可能靠近设备引脚使用陶瓷电容将VBUS、PMID和VOUT引脚旁路到GND。
• 将(C_{FLY})电容尽可能靠近设备放置，并使用小焊盘区域以减少开关噪声和EMI。
• 两个通道的CLFY敷铜应尽可能对称。
• 将所有电源信号连接并参考到GND引脚（最好是最近的引脚）。
• 尽量避免信号走线中断或破坏电源平面。

九、总结

SGM41606S以其高效的开关电容架构、丰富的保护功能和灵活的输入配置，为单电池充电应用提供了一个强大而可靠的解决方案。无论是在智能手机、平板电脑还是其他电子设备中，它都能满足快速充电和安全充电的需求。电子工程师在设计充电系统时，可以充分利用SGM41606S的特性，结合合理的电容选择和PCB布局，实现高效、稳定的充电功能。你在使用SGM41606S进行设计时遇到过哪些问题呢？欢迎在评论区分享你的经验和见解。