MAX20094/MAX20095：備份電池充電器與升壓控制器的卓越之選

在電子設備的設計中，備份電池充電器和升壓控制器是保障系統穩定運行的關鍵組件。今天，我們要深入探討的是Analog Devices推出的MAX20094/MAX20095，這兩款IC在備份電池充電和升壓控制領域表現出色，為電子工程師提供了強大的解決方案。

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一、產品概述

MAX20094/MAX20095將可配置的恒流/恒壓（CC/CV）電池充電器與高效同步升壓控制器相結合。當主電源丟失時，它能夠為關鍵系統提供電力。此外，還具備診斷功能，可檢查電池的健康狀態（SOH）和IC的功能。充電閾值和升壓輸出電壓可配置，以支持常見的電池化學類型和各種電池數量。其2.2MHz的開關頻率有助于通過最小化電感器尺寸來降低系統成本，同時還包括精密的電池SOH檢查，并具有將備用電池（BUB）的泄漏電流降至最低的內置功能。該產品采用28引腳（5mm x 5mm）可側焊TQFN封裝，并且符合AECQ - 100標準，適用于汽車環境。

二、主要特性與優勢

2.1 高效解決方案

• 同步升壓：具備最低2V的同步升壓功能，采用n溝道FET控制，在輕負載時可保證高效運行。例如，在1mA負載下，跳過模式可確保效率大于50%。
• 多功能集成：集成了3V至6V的CC/CV電池充電器，充電電流可通過I2C設置，最大可達1A。同時，I2C可選擇CV電壓和CC電流水平，還提供p溝道負載斷開的柵極驅動器輸出以及備用電池切換觸發信號。

2.2 精確診斷與監測

• 電池健康監測：具備備用電池的狀態監測功能，可通過I2C接口進行診斷和控制。內置精確的內部電流吸收器，用于電池阻抗測量，并可模擬讀取來自備用電池的內部吸收電流，還支持BATT_電壓的遠程感應。
• I2C接口：通過I2C接口，工程師可以方便地配置和監控設備的運行狀態，實現對充電過程和升壓控制的精確調整。

2.3 適應汽車環境

• 寬電壓范圍：輸入電壓范圍為3.5V至36V，可耐受40V的負載突降。與電池連接的引腳泄漏電流小于1μA，確保在汽車復雜的電氣環境中穩定工作。
• 寬溫度范圍：工作溫度范圍為 - 40°C至 + 125°C，能夠適應各種惡劣的汽車工作環境。
• 可側焊封裝：28引腳可側焊TQFN封裝，便于光學檢查，提高了生產效率和產品質量。

三、電氣特性詳解

3.1 升壓控制器

• 電源電壓范圍：正常工作時為4.5V至36V，短時間（t < 1s）可耐受40V。備用電池欠壓鎖定閾值可聯系廠家獲取不同選項。
• 關斷電源電流：通過I2C禁用升壓功能，當VSUP2 = 12V且VEN1B = 0V時，關斷電源電流僅為10μA，有助于降低功耗。

3.2 電池充電器

• 電源電壓范圍：為0V至6.5V，充電時的欠壓閾值下降為3.3V，上升為3.5V。充電器禁用時，在 +25°C下的泄漏電流小于10μA。
• 充電參數：SUP1至BATTP的導通電阻典型值為250mΩ。通過I2C可設置BUB電壓，范圍為3.0V至6.0V，輸出電壓精度可達±1%。快速充電電流可通過I2C設置，范圍為0.05A至1A，預充電電流在V BUB = 0至2.0V時為40至60mA。

3.3 其他特性

• 內部LDO偏置：內部偏置電壓在VSUP2 > 6V時為5V，偏置欠壓鎖定閾值上升為3.0V，下降為2.5V。
• 電池狀態監測：SNK電流范圍可通過I2C控制，為0至2A，SNK電流精度在I = 0.5A、V BATT_ = 3.3V時為±10%。AVI電壓測量范圍為0至3V，AVB電壓測量范圍為0至6V。

四、典型應用電路與工作模式

4.1 充電器工作模式

充電器的正常工作模式是為備用電池（BUB）充電。其工作過程由一個狀態機控制，包括以下幾個階段：

• 關閉狀態：當CONTROL/CHG_EN = 0，或START_BIASRDY = 0，或芯片溫度高于熱關斷閾值時，充電器處于關閉狀態。
• 待機狀態：當CONTROL/CHG_EN = 1，偏置建立（START_BIASRDY = 1）且芯片溫度低于熱關斷閾值時，充電器進入待機狀態，啟動一個15μs的定時器，使充電器的內部偏置和比較器穩定。
• 預充電狀態：充電器進入50mA電流限制的充電模式（PREQUAL），直至VBUB超過VPQVTHR。
• 恒流充電狀態：開始快速充電過程，以恒流模式（FAST_CHG_CC）進行。充電電流通過CHGR_CC（05h）寄存器編程設置。
• 恒壓充電狀態：當VBUB超過VCVTHR時，充電器進入恒壓模式（FAST_CHG_CV）。當充電電流ICHG低于50mA時，快速充電操作完成，進入FAST_CHG_DONE模式。

4.2 升壓控制器工作模式

升壓控制器在主電池故障時，利用備用電池（BUB）為SUP2引腳維持穩定的電源電壓。它是一個同步電流模式控制器，具有工廠預設的輸出電壓。開關頻率大于2MHz，在輕負載時采用脈沖頻率調制（PFM）模式，以延長電池壽命。當輸出電壓高于所需的升壓電壓時，自動進入超低I Q待機模式；當輸出電壓接近所需升壓電壓時，自動進入喚醒模式，并向主機發送離散信號表示已喚醒。

五、I2C接口通信

MAX20094/MAX20095通過I2C兼容的串行接口進行通信，允許用戶配置和監控設備的運行。I2C接口的主要特點包括：

• 串行尋址：I2C端口作為目標設備，通過I2C/SMBus兼容的2線串行接口發送和接收數據。使用串行數據訪問（SDA）線和串行時鐘線（SCL）實現控制器與目標設備之間的雙向通信。
• 數據傳輸：每個SCL周期傳輸一個數據位，SDA上的數據在SCL脈沖的高電平期間必須保持穩定。START條件表示傳輸的開始，STOP條件表示傳輸的結束。
• 寫操作：控制器通過發送正確的目標地址、寄存器/命令和數據字來與設備通信。每個傳輸序列由START或Repeated START條件和STOP條件框定。
• 讀操作：支持標準的組合格式I2C讀模式操作，每個接收序列同樣由START或Repeated START條件和STOP條件框定。

六、寄存器配置

該產品提供了一系列寄存器，用于配置和監控設備的各種功能。以下是一些主要寄存器的介紹：

• CHIP_ID（0x00）：只讀寄存器，提供芯片和硅版本的信息。
• CHGR_STATUS（0x01）：只讀寄存器，提供充電器的運行模式和相關電源1電壓狀態的信息。
• GEN_STATUS（0x02）：只讀寄存器，提供IC內部所有模塊的狀態和運行信息。
• EN_INT（0x03）：讀寫寄存器，控制STATUSB輸出引腳的操作。
• CONTROL（0x04）：讀寫寄存器，用于啟用/禁用設備的各種功能。
• CHGR_CC（0x05）：讀寫寄存器，設置恒流操作期間的快速充電電流。
• CHGR_CV（0x06）：讀寫寄存器，設置切換到恒壓操作所需的充電器調節電壓。
• SOH（0x07）：讀寫寄存器，設置電池健康狀態（SOH）測量期間的用戶可編程吸收電流。
• SW_RST（0x08）：只寫寄存器，將整個器件重置為原始默認條件。
• NO_OP（0xFF）：讀寫寄存器，對器件內部無影響。

七、應用設計要點

7.1 升壓轉換器設計

• 電感選擇：電感的大小取決于占空比和頻率。開關導通時電感電流上升，關斷時下降。較高的開關頻率通常可改善瞬態響應并減小組件尺寸，但在非升壓操作期間將升壓組件用作輸入濾波器組件時，低頻更具優勢。電感值可根據公式 (L[mu H]=frac{V{IN} × D}{f{SW}(MHz) × LIR}) 計算，其中 (D=left(V{OUT }-V{IN }right) / V{OUT }) ， (V{IN}) 為典型輸入電壓， (V_{OUT }) 為典型輸出電壓， (LIR) 為電感峰 - 峰交流電流與直流平均電流之比。
• MOSFET選擇：升壓轉換器中使用的n溝道MOSFET必須是邏輯電平類型，在 (V{GS}=4.5 ~V) 時具有保證的導通電阻規格，并且能夠提供最大輸入電流 (I{IN(MAX)}=I{LOAD(MAX)} × frac{D{MAX}}{1-D_{MAX}}) 。
• 電容選擇：輸入電容需要考慮最小輸入電容值和最大ESR，可通過公式 (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}}) 計算。輸出電容需要滿足在升壓MOSFET導通時為負載提供電流的要求，其值可通過公式 (C{OUT }=frac{I{OUT } × D{MAX }}{Delta V{Q} × f_{SW}}) 計算。
• 分流電阻選擇：電流檢測電阻（ (R{CS}) ）連接在電池和電感之間，用于設置電流限制。其值可根據公式 (R{CS{-}}=frac{V{CS}}{I{IN(MAX)}}) 計算，其中 (I{IN(MAX)}) 是在滿載和最小 (V_{IN}) 時流經MOSFET的峰值電流。

7.2 PCB布局建議

• 布局原則：為了實現低開關損耗和干凈、穩定的操作，需要進行精心的PCB布局。應將所有功率組件盡可能安裝在電路板的頂層，使其接地端子相互緊貼。
• 具體建議：保持大電流路徑短，特別是在接地端子處；保持功率走線和負載連接短，使用厚銅PCB可提高滿載效率；通過連接CSP和CSN并使用開爾文檢測方法，減少電流檢測誤差；將高速開關節點（BST、LX、DH和DL）遠離敏感的模擬區域（SUP2、CSP和CSN）。

八、總結

MAX20094/MAX20095是一款功能強大、性能卓越的備份電池充電器和升壓控制器，適用于汽車遠程信息處理電池備份、單節或多節電池備份系統等應用場景。其豐富的功能、可配置的參數以及對汽車環境的適應性，為電子工程師在設計可靠的電源系統時提供了一個優秀的選擇。在實際應用中，工程師需要根據具體的設計要求，合理選擇組件參數，并進行精心的PCB布局，以充分發揮該產品的性能優勢。大家在使用這款產品的過程中有遇到什么問題，或者有其他更好的應用經驗，歡迎在評論區一起交流探討。