SGM41517：高效集成的开关模式充电器

在电子设备的设计中，电池充电管理是一个关键环节。对于单节锂离子和锂聚合物电池的充电需求，SGM41517这款高度集成的开关模式充电器提供了一个优秀的解决方案。下面，我们就来深入了解一下SGM41517的特点、功能以及应用设计要点。

文件下载：SGM41517.pdf

一、产品概述

SGM41517是一款小巧、高效且支持USB的开关模式充电器，适用于便携式应用中对单节锂离子和锂聚合物电池的充电。它集成了同步PWM控制器、输入和输出电流感应、高精度电压和电流调节、功率MOSFET以及充电终止功能，通过I2C接口可对充电参数进行编程。

1. 主要特性

• 宽输入电压范围：支持4V至13.2V的工作输入电压范围，绝对最大输入电压额定值为19V。
• 多种功能特性：具备即时启动无电池功能、可编程输入电压限制实现最大功率跟踪、不良适配器检测与识别、最大充电电压和电流限制的安全限制寄存器等。
• 高精度调节：输入电流调节精度在500mA时为±5%，充电电压调节精度在 (T{J}=+25^{circ} C) 时为±0.4%，在 (T{J}=0^{circ} C) 至 +85℃ 时为±0.5%。
• 安全保护：具有从BAT到VBUS的反向泄漏保护、热调节和热关断、VBUS/VBAT过压保护等功能。
• 封装形式：采用绿色UTQFN - 2×2 - 20L封装。

2. 应用场景

SGM41517广泛应用于便携式音频扬声器、手机、可穿戴设备、EPOS等领域。

二、工作模式

SGM41517具有三种工作模式：充电模式、Boost模式和高阻抗模式。

1. 充电模式

当插入电压低于充电阈值的良好电池并连接良好的适配器时，进入充电模式。在此模式下，设备有五个控制回路来调节输入电压、输入电流、充电电流、充电电压和芯片结温。充电过程分为三个阶段：短充电电流、恒流充电和恒压充电。输入电流会自动限制到主机设置的值，充电终止基于电池电压和用户可选的最小电流水平。

2. Boost模式

在主机模式下，当OTG引脚变为高电平或OPA_MODE位设置为1时，SGM41517进入Boost模式，将电池电压提升到VBUS以给连接的USB OTG设备供电。默认情况下，可将VBUS提升到约5.05V，并能提供高达1400mA的电流。

3. 高阻抗模式

在此模式下，充电器停止充电或升压，进入低静态电流状态以节省功率。可通过将CD_TS引脚设置为高电平使充电器进入该模式。

三、功能特性详解

1. 输入电压保护

• 输入过压保护：内置输入过压保护，当检测到VBUS过压时，关闭PWM转换器和RBFET Q1，设置故障状态位，并向STAT引脚发送128μs脉冲。当 (V_{VBUS}) 降至输入过压退出阈值以下时，故障清除，充电恢复。
• 不良适配器检测：在VBUS引脚发生上电复位时，通过向VBUS施加约30mA的电流吸收来进行不良适配器检测。如果VBUS高于 (V_{IN(MIN)}) 持续30ms，则适配器良好，开始充电；否则，禁用电流吸收，向STAT引脚发送128μs低脉冲，并设置不良适配器标志。

2. 电池保护

• 电池过压保护：集成内置过压保护，当检测到电池过压时，关闭PWM转换器，设置故障状态位，并向STAT引脚发送故障脉冲。当VBAT降至电池过压下降阈值时，故障清除，充电重新开始。
• 电池短路保护和充电超时：在正常充电过程中，如果电池电压低于短路阈值VSHORT，充电器以 (I_{SHORT}) 对电池充电。充电周期开始时，内部10小时安全定时器开始计数，如果10小时内充电未终止，设备将停止PWM并向STAT引脚发送128μs脉冲通知AP。

3. 温度管理

• JEITA准则合规：支持JEITA准则，通过CD_TS引脚监测电池温度。在不同温度范围内，对充电电流和电压进行相应限制，以确保电池安全充电。
• 热调节和保护：监测芯片结温 (T{J})，当 (T{J}) 达到热调节阈值TCF时，逐渐降低充电电流；当 (T{J}) 上升到比 (T{CF}) 高约10℃时，充电电流降至零；当 (T{J}) 超过TSHTDWN时，停止充电并进入热关断模式，当 (T{J}) 降至TSHTDWN以下约10℃时，充电恢复。

四、I2C通信

SGM41517通过标准I2C接口进行参数编程和状态报告。支持标准模式和快速模式通信速度，标准模式频率最高为100kbits/s，快速模式最高为1Mbits/s。通过I2C接口，主机可以对充电参数进行灵活设置，如输入电流限制、充电电流、充电电压等。

五、应用设计要点

1. 外部组件选择

• 电感设计：根据指定的充电电流纹波确定电感值 (L{OUT})，计算公式为 (L{OUT }=frac{V{BAT } timesleft(V{VBUS }-V{BAT }right)}{V{VBUS } × f × Delta I_{L}})。在实际设计中，可根据计算结果选择合适的标准电感值，并计算总纹波电流和最大输出电流。
• 输出电容设计：以40kHz作为谐振频率确定输出电容值 (C{OUT})，计算公式为 (C{OUT }=frac{1}{4 pi^{2} × f{O}^{2} × L{OUT }})。可选择合适的陶瓷电容进行并联使用。

2. 布局设计

• 功率输入电容应尽可能靠近引脚，输出电感应靠近IC，输出电容应连接在电感和PGND之间，以最小化从SW引脚通过LC滤波器回到PGND引脚的电流路径环路面积。
• 所有去耦电容应靠近各自的引脚并靠近PGND，小控制信号应远离高电流路径。
• PCB应具有接地平面，采用星型接地设计方法，以减少噪声耦合和接地反弹问题。

六、总结

SGM41517以其高度集成的特性、丰富的功能和良好的性能，为单节锂离子和锂聚合物电池的充电管理提供了一个可靠的解决方案。在实际应用中，电子工程师可以根据具体需求，通过I2C接口灵活配置充电参数，并合理选择外部组件和进行布局设计，以实现最佳的充电效果和系统性能。大家在使用SGM41517进行设计时，有没有遇到过什么特别的问题呢？欢迎在评论区分享交流。