SGM41603A：高效雙向開關電容轉換器的技術剖析與應用指南

在電子設備不斷追求高性能、小型化的今天，電源管理芯片的性能和效率顯得尤為重要。SGM41603A作為一款I2C控制的10A雙向開關電容轉換器，為電源設計帶來了新的解決方案。本文將深入剖析SGM41603A的特性、工作原理、應用電路及設計要點，希望能為電子工程師在實際設計中提供有價值的參考。

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一、SGM41603A概述

SGM41603A是一款集成了功率開關的高效2:1/1:2雙向開關電容轉換器。它在正向（2:1電壓分壓）時可提供10A的輸出電流，反向（1:2電壓倍增）時可提供5A的輸出電流。該器件通過插入2S電池組和1S負載輸入之間，能將2S Li+電源用作1S Li+解決方案，同時保留現有的1S電源架構。當V1X連接到1S電源時，它還可作為電壓倍增器使用。

特性亮點

1. 雙向轉換能力：支持2:1正向轉換和1:2反向轉換，滿足不同電源需求。
2. 高效性能：最高效率可達99.3%，在同類產品中表現出色。
3. 低電流消耗：正向工作時低電流僅為50μA，有助于降低功耗。
4. I2C接口：可靈活設置參數，如過流保護（OCP）、過壓鎖定（OVLO）、開關頻率閾值、軟啟動電流和持續時間等。
5. 多種保護功能：具備過壓、欠壓、過流和熱保護，確保設備安全運行。
6. 低EMI：內置頻率抖動選項，可有效降低干擾。

二、工作原理

開關電容轉換器（SCC）

SGM41603A采用開關電容轉換器技術，利用電容作為能量存儲和傳輸元件進行DC/DC轉換。與使用電感的轉換器（如降壓轉換器）相比，SCC具有更高的效率、更小的解決方案尺寸和更低的成本。該器件為雙通道雙向2:1/1:2 SCC，在正向時，輸出（V1X）產生輸入電壓的一半（1/2 × VV2X）；在反向時，輸出（V2X）產生輸入電壓的兩倍（2 × VV1X），且具備5A的輸出能力。轉換器以固定50%的占空比工作，可自動在正向和反向模式之間切換。為減少輸出電壓和電流紋波，轉換器由兩個通道組成，通道相位可選擇90°或180°。

使能輸入（EN）

EN引腳是SGM41603A的高電平有效使能輸入。當EN引腳拉高并經過消抖時間（tEN_DEG）后，首先進行軟放電（tSFT_DISCHG），然后啟動軟啟動。只有在軟啟動成功后，SCC才會完全激活。如果EN引腳拉低，SCC將在8ms（典型值）的EN下降消抖時間后關閉。tEN_DEG消抖時間和tSFT_DISCHG軟放電時間均可通過I2C編程設置。

啟動和軟啟動

• 正向啟動：在正向啟動過程中，當PoorSRC資格定時器到期（tSFT_DISCHG）后，飛跨電容（CFLY）與輸出（V1X）電容并聯。正常運行時，電容以I2C可調的軟啟動電流（145mA - 580mA）充電至接近最終值（Vv2x / 2）。如果在tSS_FWD（正向軟啟動時間）內，經過10次連續嘗試，輸出仍未達到接近Vv2x/2的電壓，則會產生FSS_FLT_INT（正向軟啟動故障）中斷，設備返回待機狀態；若軟啟動成功，則進入正常運行狀態。tSS_FWD軟啟動時間可通過I2C設置。
• 反向啟動：在反向啟動時，當V1X/V2X的PoorSRC資格定時器到期（tSFT_DISCHG），且V1X滿足以下兩個條件時，V2X將以ISS_RVS電流開始充電：
  • (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)) 當V2X電壓超過V2XVALID閾值時，V2XVALID位從0變為1，若未屏蔽，則會在IRQB引腳發送中斷信號。最終，若V2X達到((2 ~V{V 1 X}-V 2 X_{OCP 2}+20 mV))閾值，PGOOD輸出高電平（經過0s或100ms延遲，由PGOOD_DELAY位設置），轉換器作為1:2 SCC開始全開關操作。如果V2X在tSS_RVS（反向軟啟動時間）內未達到V2XVALID，則會產生RVS_FLT_INT（反向軟啟動故障）中斷，設備返回待機狀態。tSFT_DISCHG、ISS_RVS、tSS_RVS參數均可通過I2C調整。

跳過模式和固定頻率模式

在正常運行時，轉換器以50%的占空比工作，開關頻率由SCC_CFG2寄存器（REG0x07）設置。

• 固定頻率模式：轉換器產生未調節的輸出（正向模式下V1X引腳為VV2X/2，反向模式下V2X引腳為2 × VV1X）。
• 跳過模式：通過將REG0x06中的FIX_FREQ位設置為0，設備可在輕載時自動進入跳過模式。當Vv1x輸出超過（VV2X / 2 - ΔVF2S_FWD）閾值時，設備進入跳過模式；當Vv1x低于（VV2X / 2 - ΔVS2F_FWD）閾值時，返回固定頻率模式。跳過模式可在輕載時節省功率，保持整個負載范圍內的高效率，并使Vv1X輸出接近Vv2x/2。

音頻外（OOA）模式

當SCC在跳過模式下運行時，跳過頻率可能落入音頻范圍（20Hz - 20kHz），導致多層陶瓷電容和PCB產生可聽噪聲。SGM41603A提供的OOA模式功能，若啟用，可將最小跳過頻率保持在30kHz以上，避免音頻噪聲問題。

欠壓鎖定（UVLO）

當VV2X低于V2X UMO_F、Vv1x低于V1XUVLO_F且VVAC低于VVAC_UVLO下降閾值時，SGM41603A將關閉。直到其中一個端口電壓超過其UVLO閾值（VV2X超過V2XUMO_R閾值、VV1X超過V1XUMO_R閾值或VVAC超過VVAC_UVLO上升閾值），設備才會重新啟動。

頻率抖動

開關轉換器的固定開關頻率會在EMI發射頻譜中產生高峰值。通過啟用頻率抖動，開關頻率會在設定頻率附近的窄帶內周期性變化，使發射能量分布在更寬的頻率范圍內，從而降低發射峰值。該功能可通過I2C配置，可在整個合成開關頻率范圍（0.25MHz - 1.5MHz）內禁用或設置為開關頻率的3%、6%或12%。

過流保護

SGM41603A在正向有兩級過流保護：

• V1X輸出電流監測：監測V1X輸出電流以進行IV1X_OCP1過流保護。
• V1X和V2X電壓降檢測：為實現更快的短路保護，還會檢測V1X和V2X的電壓降（V1XOCP2）。若V1X輸出電流超過Ilv1X_OCP1或Vv1X低于（VV2X / 2 - V1X_OCP2），輸出將被禁用。IV1X_OCP1可通過I2C以1.1A的步長從13.2A設置到20.9A，V1XOCP2可關閉或從100mV調整到660mV，步長為40mV。

在反向，不僅監測V1X輸入電流以檢測Ilv1X_OCP1過流，還會檢測V1X和V2X的電壓降以實現更快的短路保護（V2X_OCP2）。若Vv2X低于（2V1x - V2Xocp2），輸出將被禁用。V2XOCP2可從300mV設置到860mV，步長為40mV。

過溫報警和故障

芯片會監測管芯溫度（TJ）以進行熱保護。若TJ超過+155℃（TSHDN），設備進入熱關斷狀態，T_SHDN_INT中斷位被設置。當TJ下降約15℃時，熱關斷終止，SCC可再次啟用。此外，還有兩個額外的報警比較器，分別在+100℃和+120℃時觸發T_ALM1和T_ALM2中斷。

過壓鎖定保護

若V1X或V2X出現過壓，SCC輸出將被禁用。V2X的V2XOWP_R過壓閾值可在REG0x08[7:3]中從8.3V調整到11V，默認值為10.5V；V1X的V1XOVP_R可在REG0x09[4:0]中從4.15V調整到5.5V，默認值為5.3V。

轉換過流保護

CONV_OCP功能監測功率MOSFET的轉換器開關工作電流。若在正向或反向模式下，QCLx或QDLx電流達到開關轉換OCP閾值，CONV_OCP_INT位將設置為1，并在IRQB引腳產生中斷，操作停止，芯片返回待機狀態。

故障后自動重啟功能

SGM41603A具備兩個故障后自動重啟功能。由于該芯片通常是系統電源，在大多數應用中，故障后無法從外部重新啟用，因此自動重啟功能至關重要。任何故障發生后，開關關閉，若啟用了主動放電，將首先進行主動放電。之后，若滿足以下所有條件：

1. 故障條件消除。
2. EN高于VHH或SCC_EN = 1。
3. RESTART_EN位為1。
4. V1X或V2X電壓至少有一個高于其開關啟動閾值（V1XSW_R或V2Xsw_R）。

則在等待時間（可通過WAIT_T[1:0]位調整）后，設備將啟動軟啟動。若RESTART_EN為0，則故障斷電后必須切換EN引腳才能啟用輸出。

三、I2C接口與通信

I2C從地址設置

ADDR引腳用于在POR過程中設置默認I2C地址。在電源上電前，在ADDR和地之間放置一個10kΩ或更小的電阻，正常狀態下從地址將變為0x69；若ADDR在電源上電前保持浮空，從地址為0x68。

I2C接口通信

SGM41603A作為I2C從發送器/接收器，具有以下從地址：

• 從地址（7位）：1101 000或1101 001
• 從地址（寫）：0xD0（1101 0000）或0xD2（1101 0010）
• 從地址（讀）：0xD1（1101 0001）或0xD3（1101 0011）

I2C通信操作

• 起始和停止條件：當總線空閑時，SDA和SCL均保持高電平。主設備在事務開始時通過在SCL為高電平時SDA線的高到低轉換發送START（S）條件，所有從設備將檢測到該條件。主設備在SCL為高電平時通過SDA線的低到高轉換發送一個或多個STOP（P）條件以終止事務并釋放總線。建議在電源上電后通過發送STOP條件來啟動總線。主設備在與從設備完成一次完整事務后可能不釋放總線，而是發送重復START（Sr）以發起與從設備的新數據交換。
• 位傳輸：每個時鐘脈沖可傳輸一個數據位。在時鐘高電平期間，SDA線上的數據必須保持穩定（滿足建立和保持時間），SDA在CLK高電平期間的轉換將被解釋為控制信號。
• I2C數據格式和確認：數據以字節為單位傳輸。檢測到START條件后，發送器將逐位發送一個字節（8位）的數據，從最高有效位（MSB）開始。每個SCL脈沖將一個新位放置在SDA線上。發送第8位后，發送器在第9個SCL脈沖期間釋放SDA線，以接收接收器的確認位。因此，每個字節總共交換9位。一次事務中的字節數不受限制。發送ACK位后，若接收器忙碌且無法傳輸另一個字節的數據，它可以將SCL線拉低，使發送器處于等待狀態（時鐘拉伸）。當接收器準備好接收另一個字節的數據時，它釋放時鐘線，數據傳輸可以繼續由主設備生成的時鐘進行。第9位是接收器（從設備或主設備）的響應，用于表示字節已接收。在第9個時鐘周期發送低電平被解釋為ACK。若接收器響應高電平或根本不響應，發送器將收到第9位的高電平，這被視為Not ACK（= NCK）。NCK表示接收器不再期望更多數據。因此，事務中最后一個字節的接收器響應為NCK。它也可能表示通信鏈路存在問題（罕見）。第9位之后，主設備應發送STOP或重復START（Sr）。主接收器必須在從設備輸出的最后一個字節上向發送器發出數據結束信號（NCK）。在這種情況下，發送器必須將SDA保持高電平，以使主設備能夠生成STOP條件。

I2C讀寫協議

• 主設備寫協議（寫模式）：主設備向從設備的特定寄存器地址或連續地址的一組寄存器寫入數據。
• 主設備讀協議（設置寄存器地址后讀數據）：主設備首先寫入所需的寄存器地址，然后讀取該寄存器的數據。
• 塊讀：主設備不設置寄存器地址讀取寄存器數據（讀模式）：可用于從第一個寄存器地址開始連續讀取寄存器。

I2C超時

在I2C通信中，有時會出現以下問題：

1. I2C設備由于接地噪聲或電源噪聲將SDA永久拉至地。
2. 由于主機中斷或電源關閉，SCL時鐘有時會消失。

對于SGM41603A，I2C電路在I2C接口激活后會一直監測SCL和SDA線。當SCL或SDA的低電平保持超過25ms時，I2C電路將返回空閑狀態，并無條件釋放SCL和SDA線。

四、應用信息

輸入電容選擇（Cv2x或CV1X）

選擇輸入電容時，需考慮兩個因素：一是要能承受最大預期輸入浪涌電壓，并具有足夠的設計余量；二是要減少從輸入源汲取的峰值電流，降低輸入噪聲。Cv2x和Cv1x的選擇取決于有效串聯電阻（ESR），以最小化電壓紋波和負載階躍瞬變，以及確保操作穩定所需的大容量電容。對于大多數應用，總電容大于20μF的X5R或更好等級的陶瓷電容可獲得穩定性能。設計時需考慮陶瓷電容的直流偏置效應，隨著施加電壓接近額定值，電容值會減小。X5R和X7R類型的電容因其對直流偏置和溫度的穩定性，應作為首選。對于所有陶瓷電容，直流偏置效應在較小尺寸的封裝中更為明顯，因此建議使用盡可能大的封裝尺寸。此外，應選擇具有足夠電壓額定值設計余量的輸入電容，以適應最壞情況下的瞬態輸入電壓。

飛跨電容選擇（CFLY）

選擇飛跨電容的電容值時，電流額定值和ESR是關鍵參數。這些電容偏置到V1X電壓，其電壓額定值應足夠高，以避免因直流偏置導致電容值下降。CFLY的選擇需要在效率和功率密度之間進行權衡。較小的CFLY電容會增加輸出電壓/電流紋波，降低效率；較大的CFLY電容則可減少輸出紋波，提高效率。每個通道的CFLY可根據以下公式計算： [C{F L Y}=frac{I{V 1 X}}{4 f{S W} V{C F L Y _R P P}}] 初始時，可將電壓紋波設置為輸出電壓的2%： [C{FLY}=frac{I{V 1 x}}{8 % f{SW} V{V_{1} x}}] 其中，IV1X是V1X輸入/輸出電流，fSW是開關頻率，VCFLY_RPP是CFLY上的峰 - 峰電壓紋波。開關頻率可使用REG0x07中的FREQ[2:0]位設置（默認值為500kHz）。較低的開關頻率可提高輕載時的效率，但會增加電壓/電流紋波。

輸出電容設計（CV2X或Cv1x）

CV2X或Cv1x輸出電容的選擇與CFLY電容類似。更多的輸出電容可減小輸出電壓紋波。