SGM41603A：高效双向开关电容转换器的技术剖析与应用指南

在电子设备不断追求高性能、小型化的今天，电源管理芯片的性能和效率显得尤为重要。SGM41603A作为一款I2C控制的10A双向开关电容转换器，为电源设计带来了新的解决方案。本文将深入剖析SGM41603A的特性、工作原理、应用电路及设计要点，希望能为电子工程师在实际设计中提供有价值的参考。

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一、SGM41603A概述

SGM41603A是一款集成了功率开关的高效2:1/1:2双向开关电容转换器。它在正向（2:1电压分压）时可提供10A的输出电流，反向（1:2电压倍增）时可提供5A的输出电流。该器件通过插入2S电池组和1S负载输入之间，能将2S Li+电源用作1S Li+解决方案，同时保留现有的1S电源架构。当V1X连接到1S电源时，它还可作为电压倍增器使用。

特性亮点

1. 双向转换能力：支持2:1正向转换和1:2反向转换，满足不同电源需求。
2. 高效性能：最高效率可达99.3%，在同类产品中表现出色。
3. 低电流消耗：正向工作时低电流仅为50μA，有助于降低功耗。
4. I2C接口：可灵活设置参数，如过流保护（OCP）、过压锁定（OVLO）、开关频率阈值、软启动电流和持续时间等。
5. 多种保护功能：具备过压、欠压、过流和热保护，确保设备安全运行。
6. 低EMI：内置频率抖动选项，可有效降低干扰。

二、工作原理

开关电容转换器（SCC）

SGM41603A采用开关电容转换器技术，利用电容作为能量存储和传输元件进行DC/DC转换。与使用电感的转换器（如降压转换器）相比，SCC具有更高的效率、更小的解决方案尺寸和更低的成本。该器件为双通道双向2:1/1:2 SCC，在正向时，输出（V1X）产生输入电压的一半（1/2 × VV2X）；在反向时，输出（V2X）产生输入电压的两倍（2 × VV1X），且具备5A的输出能力。转换器以固定50%的占空比工作，可自动在正向和反向模式之间切换。为减少输出电压和电流纹波，转换器由两个通道组成，通道相位可选择90°或180°。

使能输入（EN）

EN引脚是SGM41603A的高电平有效使能输入。当EN引脚拉高并经过消抖时间（tEN_DEG）后，首先进行软放电（tSFT_DISCHG），然后启动软启动。只有在软启动成功后，SCC才会完全激活。如果EN引脚拉低，SCC将在8ms（典型值）的EN下降消抖时间后关闭。tEN_DEG消抖时间和tSFT_DISCHG软放电时间均可通过I2C编程设置。

启动和软启动

• 正向启动：在正向启动过程中，当PoorSRC资格定时器到期（tSFT_DISCHG）后，飞跨电容（CFLY）与输出（V1X）电容并联。正常运行时，电容以I2C可调的软启动电流（145mA - 580mA）充电至接近最终值（Vv2x / 2）。如果在tSS_FWD（正向软启动时间）内，经过10次连续尝试，输出仍未达到接近Vv2x/2的电压，则会产生FSS_FLT_INT（正向软启动故障）中断，设备返回待机状态；若软启动成功，则进入正常运行状态。tSS_FWD软启动时间可通过I2C设置。
• 反向启动：在反向启动时，当V1X/V2X的PoorSRC资格定时器到期（tSFT_DISCHG），且V1X满足以下两个条件时，V2X将以ISS_RVS电流开始充电：
  • (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)) 当V2X电压超过V2XVALID阈值时，V2XVALID位从0变为1，若未屏蔽，则会在IRQB引脚发送中断信号。最终，若V2X达到((2 ~V{V 1 X}-V 2 X_{OCP 2}+20 mV))阈值，PGOOD输出高电平（经过0s或100ms延迟，由PGOOD_DELAY位设置），转换器作为1:2 SCC开始全开关操作。如果V2X在tSS_RVS（反向软启动时间）内未达到V2XVALID，则会产生RVS_FLT_INT（反向软启动故障）中断，设备返回待机状态。tSFT_DISCHG、ISS_RVS、tSS_RVS参数均可通过I2C调整。

跳过模式和固定频率模式

在正常运行时，转换器以50%的占空比工作，开关频率由SCC_CFG2寄存器（REG0x07）设置。

• 固定频率模式：转换器产生未调节的输出（正向模式下V1X引脚为VV2X/2，反向模式下V2X引脚为2 × VV1X）。
• 跳过模式：通过将REG0x06中的FIX_FREQ位设置为0，设备可在轻载时自动进入跳过模式。当Vv1x输出超过（VV2X / 2 - ΔVF2S_FWD）阈值时，设备进入跳过模式；当Vv1x低于（VV2X / 2 - ΔVS2F_FWD）阈值时，返回固定频率模式。跳过模式可在轻载时节省功率，保持整个负载范围内的高效率，并使Vv1X输出接近Vv2x/2。

音频外（OOA）模式

当SCC在跳过模式下运行时，跳过频率可能落入音频范围（20Hz - 20kHz），导致多层陶瓷电容和PCB产生可听噪声。SGM41603A提供的OOA模式功能，若启用，可将最小跳过频率保持在30kHz以上，避免音频噪声问题。

欠压锁定（UVLO）

当VV2X低于V2X UMO_F、Vv1x低于V1XUVLO_F且VVAC低于VVAC_UVLO下降阈值时，SGM41603A将关闭。直到其中一个端口电压超过其UVLO阈值（VV2X超过V2XUMO_R阈值、VV1X超过V1XUMO_R阈值或VVAC超过VVAC_UVLO上升阈值），设备才会重新启动。

频率抖动

开关转换器的固定开关频率会在EMI发射频谱中产生高峰值。通过启用频率抖动，开关频率会在设定频率附近的窄带内周期性变化，使发射能量分布在更宽的频率范围内，从而降低发射峰值。该功能可通过I2C配置，可在整个合成开关频率范围（0.25MHz - 1.5MHz）内禁用或设置为开关频率的3%、6%或12%。

过流保护

SGM41603A在正向有两级过流保护：

• V1X输出电流监测：监测V1X输出电流以进行IV1X_OCP1过流保护。
• V1X和V2X电压降检测：为实现更快的短路保护，还会检测V1X和V2X的电压降（V1XOCP2）。若V1X输出电流超过Ilv1X_OCP1或Vv1X低于（VV2X / 2 - V1X_OCP2），输出将被禁用。IV1X_OCP1可通过I2C以1.1A的步长从13.2A设置到20.9A，V1XOCP2可关闭或从100mV调整到660mV，步长为40mV。

在反向，不仅监测V1X输入电流以检测Ilv1X_OCP1过流，还会检测V1X和V2X的电压降以实现更快的短路保护（V2X_OCP2）。若Vv2X低于（2V1x - V2Xocp2），输出将被禁用。V2XOCP2可从300mV设置到860mV，步长为40mV。

过温报警和故障

芯片会监测管芯温度（TJ）以进行热保护。若TJ超过+155℃（TSHDN），设备进入热关断状态，T_SHDN_INT中断位被设置。当TJ下降约15℃时，热关断终止，SCC可再次启用。此外，还有两个额外的报警比较器，分别在+100℃和+120℃时触发T_ALM1和T_ALM2中断。

过压锁定保护

若V1X或V2X出现过压，SCC输出将被禁用。V2X的V2XOWP_R过压阈值可在REG0x08[7:3]中从8.3V调整到11V，默认值为10.5V；V1X的V1XOVP_R可在REG0x09[4:0]中从4.15V调整到5.5V，默认值为5.3V。

转换过流保护

CONV_OCP功能监测功率MOSFET的转换器开关工作电流。若在正向或反向模式下，QCLx或QDLx电流达到开关转换OCP阈值，CONV_OCP_INT位将设置为1，并在IRQB引脚产生中断，操作停止，芯片返回待机状态。

故障后自动重启功能

SGM41603A具备两个故障后自动重启功能。由于该芯片通常是系统电源，在大多数应用中，故障后无法从外部重新启用，因此自动重启功能至关重要。任何故障发生后，开关关闭，若启用了主动放电，将首先进行主动放电。之后，若满足以下所有条件：

1. 故障条件消除。
2. EN高于VHH或SCC_EN = 1。
3. RESTART_EN位为1。
4. V1X或V2X电压至少有一个高于其开关启动阈值（V1XSW_R或V2Xsw_R）。

则在等待时间（可通过WAIT_T[1:0]位调整）后，设备将启动软启动。若RESTART_EN为0，则故障断电后必须切换EN引脚才能启用输出。

三、I2C接口与通信

I2C从地址设置

ADDR引脚用于在POR过程中设置默认I2C地址。在电源上电前，在ADDR和地之间放置一个10kΩ或更小的电阻，正常状态下从地址将变为0x69；若ADDR在电源上电前保持浮空，从地址为0x68。

I2C接口通信

SGM41603A作为I2C从发送器/接收器，具有以下从地址：

• 从地址（7位）：1101 000或1101 001
• 从地址（写）：0xD0（1101 0000）或0xD2（1101 0010）
• 从地址（读）：0xD1（1101 0001）或0xD3（1101 0011）

I2C通信操作

• 起始和停止条件：当总线空闲时，SDA和SCL均保持高电平。主设备在事务开始时通过在SCL为高电平时SDA线的高到低转换发送START（S）条件，所有从设备将检测到该条件。主设备在SCL为高电平时通过SDA线的低到高转换发送一个或多个STOP（P）条件以终止事务并释放总线。建议在电源上电后通过发送STOP条件来启动总线。主设备在与从设备完成一次完整事务后可能不释放总线，而是发送重复START（Sr）以发起与从设备的新数据交换。
• 位传输：每个时钟脉冲可传输一个数据位。在时钟高电平期间，SDA线上的数据必须保持稳定（满足建立和保持时间），SDA在CLK高电平期间的转换将被解释为控制信号。
• I2C数据格式和确认：数据以字节为单位传输。检测到START条件后，发送器将逐位发送一个字节（8位）的数据，从最高有效位（MSB）开始。每个SCL脉冲将一个新位放置在SDA线上。发送第8位后，发送器在第9个SCL脉冲期间释放SDA线，以接收接收器的确认位。因此，每个字节总共交换9位。一次事务中的字节数不受限制。发送ACK位后，若接收器忙碌且无法传输另一个字节的数据，它可以将SCL线拉低，使发送器处于等待状态（时钟拉伸）。当接收器准备好接收另一个字节的数据时，它释放时钟线，数据传输可以继续由主设备生成的时钟进行。第9位是接收器（从设备或主设备）的响应，用于表示字节已接收。在第9个时钟周期发送低电平被解释为ACK。若接收器响应高电平或根本不响应，发送器将收到第9位的高电平，这被视为Not ACK（= NCK）。NCK表示接收器不再期望更多数据。因此，事务中最后一个字节的接收器响应为NCK。它也可能表示通信链路存在问题（罕见）。第9位之后，主设备应发送STOP或重复START（Sr）。主接收器必须在从设备输出的最后一个字节上向发送器发出数据结束信号（NCK）。在这种情况下，发送器必须将SDA保持高电平，以使主设备能够生成STOP条件。

I2C读写协议

• 主设备写协议（写模式）：主设备向从设备的特定寄存器地址或连续地址的一组寄存器写入数据。
• 主设备读协议（设置寄存器地址后读数据）：主设备首先写入所需的寄存器地址，然后读取该寄存器的数据。
• 块读：主设备不设置寄存器地址读取寄存器数据（读模式）：可用于从第一个寄存器地址开始连续读取寄存器。

I2C超时

在I2C通信中，有时会出现以下问题：

1. I2C设备由于接地噪声或电源噪声将SDA永久拉至地。
2. 由于主机中断或电源关闭，SCL时钟有时会消失。

对于SGM41603A，I2C电路在I2C接口激活后会一直监测SCL和SDA线。当SCL或SDA的低电平保持超过25ms时，I2C电路将返回空闲状态，并无条件释放SCL和SDA线。

四、应用信息

输入电容选择（Cv2x或CV1X）

选择输入电容时，需考虑两个因素：一是要能承受最大预期输入浪涌电压，并具有足够的设计余量；二是要减少从输入源汲取的峰值电流，降低输入噪声。Cv2x和Cv1x的选择取决于有效串联电阻（ESR），以最小化电压纹波和负载阶跃瞬变，以及确保操作稳定所需的大容量电容。对于大多数应用，总电容大于20μF的X5R或更好等级的陶瓷电容可获得稳定性能。设计时需考虑陶瓷电容的直流偏置效应，随着施加电压接近额定值，电容值会减小。X5R和X7R类型的电容因其对直流偏置和温度的稳定性，应作为首选。对于所有陶瓷电容，直流偏置效应在较小尺寸的封装中更为明显，因此建议使用尽可能大的封装尺寸。此外，应选择具有足够电压额定值设计余量的输入电容，以适应最坏情况下的瞬态输入电压。

飞跨电容选择（CFLY）

选择飞跨电容的电容值时，电流额定值和ESR是关键参数。这些电容偏置到V1X电压，其电压额定值应足够高，以避免因直流偏置导致电容值下降。CFLY的选择需要在效率和功率密度之间进行权衡。较小的CFLY电容会增加输出电压/电流纹波，降低效率；较大的CFLY电容则可减少输出纹波，提高效率。每个通道的CFLY可根据以下公式计算： [C{F L Y}=frac{I{V 1 X}}{4 f{S W} V{C F L Y _R P P}}] 初始时，可将电压纹波设置为输出电压的2%： [C{FLY}=frac{I{V 1 x}}{8 % f{SW} V{V_{1} x}}] 其中，IV1X是V1X输入/输出电流，fSW是开关频率，VCFLY_RPP是CFLY上的峰 - 峰电压纹波。开关频率可使用REG0x07中的FREQ[2:0]位设置（默认值为500kHz）。较低的开关频率可提高轻载时的效率，但会增加电压/电流纹波。

输出电容设计（CV2X或Cv1x）

CV2X或Cv1x输出电容的选择与CFLY电容类似。更多的输出电容可减小输出电压纹波。