探索SGM41563：高性能單節(jié)鋰電池線性充電器

在如今電子產(chǎn)品的世界里，電池充電管理和電源轉(zhuǎn)換是至關(guān)重要的環(huán)節(jié)。今天，我們將深入探討圣邦微電子（SGMICRO）推出的SGM41563，一款專為單節(jié)鋰離子/聚合物電池設(shè)計(jì)的線性充電器，同時(shí)具備超低待機(jī)電流的升壓功能。

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一、產(chǎn)品概述

SGM41563集成了單節(jié)Li+/聚合物電池線性充電器和超低待機(jī)電流的升壓轉(zhuǎn)換器，可將電池電源轉(zhuǎn)換為5V輸出。其寬輸入范圍允許使用諸如導(dǎo)電線圈、太陽(yáng)能電池或熱耦合堆等非嚴(yán)格穩(wěn)壓電源進(jìn)行充電。升壓靜態(tài)電流低至典型值0.68μA，非常適合小電池長(zhǎng)期待機(jī)的應(yīng)用場(chǎng)景。該產(chǎn)品采用綠色SOIC - 8（外露焊盤）封裝。

二、主要特性

2.1 充電電壓選項(xiàng)豐富

提供五種充電電壓選項(xiàng)：4.2V/4.25V/4.3V/4.35V/4.4V，可根據(jù)不同電池的需求進(jìn)行靈活選擇。這使得SGM41563能夠適配多種類型的鋰離子/聚合物電池，滿足不同應(yīng)用場(chǎng)景的要求。

2.2 充電電流范圍廣

充電電流范圍為5mA至700mA，能夠?yàn)閱喂?jié)Li+/聚合物電池提供合適的充電電流。無(wú)論是小容量電池的緩慢充電，還是大容量電池的快速充電，SGM41563都能勝任。

2.3 充電模式與保護(hù)功能

• 恒流/恒壓充電：采用CC/CV充電模式，確保電池充電過(guò)程的安全和高效。在充電初期，以恒定電流快速充電；當(dāng)電池電壓接近設(shè)定值時(shí)，自動(dòng)切換到恒壓模式，避免過(guò)充。
• 芯片溫度充電電流調(diào)節(jié)：通過(guò)內(nèi)置的溫度傳感器，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)芯片溫度。當(dāng)芯片溫度過(guò)高時(shí)，自動(dòng)降低充電電流，防止芯片過(guò)熱損壞，提高了系統(tǒng)的可靠性。
• -4%電壓折返功率保持：在充電結(jié)束條件滿足時(shí)，將輸出電壓降低到安全水平，同時(shí)釋放電流限制到最大值，繼續(xù)為負(fù)載系統(tǒng)供電。這種設(shè)計(jì)避免了在持續(xù)連接電源的情況下電池的充放電循環(huán)，延長(zhǎng)了電池壽命。
• +2%路徑電阻損耗補(bǔ)償：能夠補(bǔ)償充電路徑中的電阻損耗，確保電池實(shí)際充電電壓的準(zhǔn)確性，提高充電效率。
• 浮充超時(shí)終止：當(dāng)系統(tǒng)負(fù)載較大，消耗的電流超過(guò)充電結(jié)束殘留電流時(shí)，如果電池電壓在超過(guò)浮充電壓的情況下持續(xù)超過(guò)設(shè)定時(shí)間（tFLTING = 44分鐘），充電將自動(dòng)停止，并進(jìn)入充電結(jié)束折返功率保持狀態(tài)。
• 超低靜態(tài)電流：靜態(tài)電流極低，小于1μA，適合長(zhǎng)期待機(jī)的應(yīng)用場(chǎng)景，有效降低了功耗。
• 可編程充電電流：通過(guò)在IREF引腳和GND之間連接一個(gè)電阻，可以根據(jù)需要設(shè)置充電電流上限。充電電流與電阻值的關(guān)系為：當(dāng)ICHG < 400mA時(shí)，ICHG (mA) = 24000/RIREF (kΩ)；當(dāng)ICHG > 400mA時(shí)，ICHG (mA) = 20500/RIREF (kΩ) + 58mA。
• 節(jié)能充電指示：nCHG引腳在充電過(guò)程中閃爍，充電結(jié)束時(shí)保持點(diǎn)亮約52秒，方便用戶直觀了解充電狀態(tài)。
• 內(nèi)部過(guò)溫保護(hù)：當(dāng)芯片溫度超過(guò)設(shè)定閾值（TCUT = 130℃）時(shí)，自動(dòng)降低充電電流，保護(hù)芯片免受過(guò)熱損壞。

三、應(yīng)用領(lǐng)域

SGM41563適用于多種應(yīng)用場(chǎng)景，特別是可充電電池供電的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備和自供電物聯(lián)網(wǎng)終端。這些設(shè)備通常需要長(zhǎng)時(shí)間待機(jī)，對(duì)功耗要求較高，SGM41563的超低靜態(tài)電流和高效充電功能正好滿足了這些需求。

四、典型應(yīng)用電路

典型應(yīng)用電路如圖1所示，包含了充電輸入、電池連接、升壓輸出等部分。在設(shè)計(jì)電路時(shí)，需要注意各元件的參數(shù)選擇和布局。例如，推薦使用2.2μH的低DCR電感，其飽和電流和熱限制電流應(yīng)大于1.4A。同時(shí)，合理布局電感、電容等元件，使電感電流的紋波回路盡可能小，以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定和低損耗的運(yùn)行。

五、電氣特性

5.1 充電相關(guān)特性

• 無(wú)負(fù)載工作電流：典型值為70μA，在低功耗應(yīng)用中表現(xiàn)出色。
• 充電電流范圍：5mA至700mA，可滿足不同電池的充電需求。
• 保持電流：當(dāng)強(qiáng)制輸出電壓為2V，RIREF = 120kΩ時(shí)，保持電流為200mA。
• VIN - BAT電流：當(dāng)VVIN - VBAT = 1V，RIREF = 13kΩ時(shí)，電流為700mA。
• 電池反向電流：在VVIN = 3V，VBAT = 5.2V時(shí)，流入電池的電流為9 - 12μA。
• 電池漏電電流：當(dāng)VVIN浮空，VBAT = 5.2V時(shí)，流入電池的電流為0.08 - 1μA。
• 充電電壓：提供4.2V至4.4V的五種電壓選項(xiàng)，步長(zhǎng)為50mV。
• 充電電壓誤差：在IBAT = 20mA時(shí)，誤差范圍為 - 28至28mV。
• 充電啟動(dòng)電壓：VVIN - VBAT上升時(shí)為310mV。
• 反向阻斷啟動(dòng)電壓：VVIN - VBAT下降時(shí)為25mV。

5.2 升壓相關(guān)特性

• 輸出電壓：在PWM模式下，VBAT < VVOUT時(shí)，輸出電壓范圍為4.84 - 5.09V；在PFM模式下，典型值為5.04V。
• 輸出電流：最大輸出電流可達(dá)500mA。
• 靜態(tài)電流：流入BAT引腳的靜態(tài)電流在無(wú)負(fù)載、不切換時(shí)為0.08 - 0.6μA；流入VOUT引腳的靜態(tài)電流在無(wú)負(fù)載、不切換，升壓或降壓模式下為0.6 - 1μA。
• 峰值電流限制：升壓操作時(shí)，峰值電流限制為0.89 - 1.62A。
• 開關(guān)頻率：在VBAT = 3.7V時(shí)，開關(guān)頻率為0.98 - 1.35MHz。
• 低側(cè)開關(guān)導(dǎo)通電阻：典型值為300 - 420mΩ。
• 高側(cè)開關(guān)導(dǎo)通電阻：典型值為320 - 410mΩ。
• 升壓停止溫度：當(dāng)芯片溫度達(dá)到150℃時(shí)，升壓操作停止。
• 恢復(fù)溫度：溫度下降25℃后，升壓操作恢復(fù)。

六、詳細(xì)工作原理

6.1 線性充電器

• 系統(tǒng)負(fù)載預(yù)充電：當(dāng)電池端電壓低于預(yù)充電電壓閾值時(shí)，在電源上電時(shí)，充電器以最大電流限制輸出tSYS_PRE時(shí)間，為系統(tǒng)啟動(dòng)提供足夠的電流，即使電池處于欠壓保護(hù)狀態(tài)或無(wú)電池的情況下也能正常啟動(dòng)。
• 寬輸入范圍充電：在輸入電壓較高或電源無(wú)法維持足夠電壓和電流的情況下，充電器仍能正常工作。通過(guò)調(diào)節(jié)充電電流，避免芯片過(guò)熱，并保持最小的壓差，防止反向漏電。
• 電壓折返功率保持：當(dāng)充電結(jié)束條件滿足時(shí)，將輸出電壓降低到安全水平，同時(shí)釋放電流限制到最大值，繼續(xù)為負(fù)載系統(tǒng)供電，避免電池的充放電循環(huán)。
• 浮充超時(shí)終止：當(dāng)系統(tǒng)負(fù)載較大，消耗的電流超過(guò)充電結(jié)束殘留電流時(shí)，如果電池電壓在超過(guò)浮充電壓的情況下持續(xù)超過(guò)設(shè)定時(shí)間，充電將自動(dòng)停止，并進(jìn)入充電結(jié)束折返功率保持狀態(tài)。
• 過(guò)溫充電調(diào)節(jié)：芯片通過(guò)內(nèi)置的溫度傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)溫度，當(dāng)芯片溫度達(dá)到TCUT時(shí)，自動(dòng)降低充電電流，以維持芯片溫度在安全范圍內(nèi)。
• 路徑電阻損耗補(bǔ)償和充電終止電流：當(dāng)首次檢測(cè)到充電結(jié)束條件時(shí)，充電器將輸出電壓調(diào)整為VFB，同時(shí)監(jiān)測(cè)VBAT。如果充電路徑中的電流下降導(dǎo)致電壓下降超過(guò)VDCC，則將輸出電壓提高到VRDC，以補(bǔ)償電阻損耗。這樣可以使用相對(duì)較高的殘留電流水平進(jìn)行充電終止檢測(cè)，使大部分充電電流流向負(fù)載而不是消耗在電阻上。
• 充電過(guò)程：充電過(guò)程分為系統(tǒng)預(yù)充電、電池預(yù)充電、浮充、充電結(jié)束和安全折返功率保持等階段。充電過(guò)程采用恒流和恒壓模式，在電源上電時(shí)進(jìn)行系統(tǒng)預(yù)充電，當(dāng)電池電壓低于快速充電閾值時(shí)進(jìn)行預(yù)充電。當(dāng)充電電流下降到終止電流或浮充定時(shí)器超時(shí)，且經(jīng)過(guò)路徑電阻損耗補(bǔ)償后，充電結(jié)束。

6.2 升壓轉(zhuǎn)換器

升壓轉(zhuǎn)換器在正常負(fù)載條件下工作在峰值電流PWM模式，在輕負(fù)載條件下切換到節(jié)能跳周期模式。當(dāng)EN引腳拉低時(shí)，電源輸入與負(fù)載斷開。同時(shí)，升壓轉(zhuǎn)換器具備過(guò)流保護(hù)和短路保護(hù)功能，通過(guò)監(jiān)測(cè)峰值電感電流和輸出電壓來(lái)實(shí)現(xiàn)。當(dāng)峰值電流達(dá)到ILIM時(shí)，低側(cè)開關(guān)關(guān)閉；當(dāng)輸出電壓低于2.2V時(shí)，通過(guò)高側(cè)開關(guān)對(duì)輸出進(jìn)行預(yù)充電，電流限制約為200mA；當(dāng)輸出電壓高于過(guò)壓保護(hù)閾值（VOV）或芯片溫度高于過(guò)溫閾值（TOT）時(shí)，開關(guān)操作停止。

七、注意事項(xiàng)

7.1 過(guò)應(yīng)力和ESD保護(hù)

在使用SGM41563時(shí)，應(yīng)避免超過(guò)絕對(duì)最大額定值的應(yīng)力，否則可能會(huì)對(duì)器件造成永久性損壞。同時(shí)，由于該集成電路對(duì)ESD敏感，在處理和安裝過(guò)程中應(yīng)采取適當(dāng)?shù)腅SD保護(hù)措施，以防止ESD損壞。

7.2 浪涌保護(hù)

在電池連接或電源施加過(guò)程中，可能會(huì)出現(xiàn)浪涌電壓，損壞低電壓引腳BAT和VOUT。建議在BAT引腳和VOUT引腳處放置TVS二極管進(jìn)行浪涌吸收。如果不使用TVS二極管，可以在EN引腳處插入R1和C6，在電池連接或測(cè)試電源接觸后延遲EN引腳的啟用，以避免在電壓浪涌期間啟動(dòng)升壓。此外，增大C4和C5的電容值可以降低負(fù)載接觸彈跳引起的浪涌電壓，在頻繁負(fù)載連接的應(yīng)用中，負(fù)載接觸電容應(yīng)小于C4和C5總電容的1/10。

八、總結(jié)

SGM41563是一款功能強(qiáng)大、性能優(yōu)越的單節(jié)鋰離子/聚合物電池線性充電器和升壓轉(zhuǎn)換器。其豐富的特性、寬輸入范圍、超低靜態(tài)電流以及完善的保護(hù)功能，使其成為可充電電池供電的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備和自供電物聯(lián)網(wǎng)終端等應(yīng)用的理想選擇。在設(shè)計(jì)電路時(shí)，需要根據(jù)具體應(yīng)用需求合理選擇元件參數(shù)，并注意布局和保護(hù)措施，以確保系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。你在使用SGM41563的過(guò)程中遇到過(guò)哪些問(wèn)題呢？歡迎在評(píng)論區(qū)分享你的經(jīng)驗(yàn)和見(jiàn)解。