SGM41574 и SGM41575 от SGMICRO — контроллеры заряда Li-ion аккумуляторов

При создании электронных устройств со встроенными аккумуляторами разработчик должен гарантировать безопасный заряд и разряд внутренней батареи. Кроме того, в современной электронике зачастую необходимо, чтобы продукт обеспечивал множество различных зарядных технологий, методов и протоколов. К тому же, тенденции к миниатюризации портативных устройств предъявляют повышенные требования к эффективности работы их силовых цепей.

Для решения вышеперечисленных задач компания SGMicroelectronics разработала микросхемы SGM41574 и SGM41575, обладающие высокой степенью интеграции и позволяющие осуществлять интеллектуальное управление системой питания устройства. Данные интегральные схемы представляют собой универсальные контроллеры заряда литий-ионных и литий-полимерных аккумуляторов, имеющие выходную мощность выше 60 Вт и низкое собственное энергопотребление. SGM41574 и SGM41575 позволяют обслуживать батареи из 1…4 элементов, обеспечивают комплексную защиту аккумулятора и безопасность всего устройства, а также имеют поддержку множества зарядных стандартов и технологий, в частности, встроенный механизм автоматического подключения батареи к остальной схеме.

Микросхемы отличаются набором доступных функций: SGM41575 имеет дополнительные контакты для измерения тока заряда/разряда аккумулятора, потенциала его отрицательного вывода, а также для подключения индикатора исправности питающего напряжения (Power Good). Однако основное отличие SGM41574 от SGM41575 – это корпус, в котором выпускается микросхема.

Обратите внимание на то, что габариты обеих микросхем достаточно малы: 4х4 мм и 2,97х3,37 мм, соответственно. В связи с этим они являются идеальным решением для портативных устройств, требующих от элементной базы максимальной миниатюризации и высокой удельной мощности: ноутбуков, планшетов, беспроводных электроинструментов, роботов-уборщиков и другой аппаратуры

Основные возможности

Одной из особенностей SGM41574 и SGM41575 является поддержка широкого диапазона входных напряжений (V_BUS), при этом микросхемы имеют встроенные средства для работы с двумя разными источниками энергии. Питание в обычном режиме может лежать в пределах +3,6…+24,0 В, его предельно допустимое значение равно +30 В. Широкий диапазон входного напряжения и потребляемого тока дает возможность реализовать поддержку стандарта USB Power Delivery 2.0, в общем случае позволяющего передавать в заряжаемое устройство мощность до 60 Вт.

Напряжение полного заряда батареи в режиме CV (V_BAT) и зарядный ток в режиме CC (I_CHG) устанавливаются пользователем посредством интерфейсной шины I²C. Значения V_BAT могут варьироваться в диапазоне +3,0…+18,8 В с шагом 10 мВ и точностью не хуже ±1%, значения I_CHG – в диапазоне 0,05…5 А с шагом 10 мА и точностью не хуже ±5,5% (для токов выше 1 А).

Для преобразования входного напряжения в выходное используется встроенный импульсный преобразователь энергии, который может работать как повышающий, понижающий, или повышающее-понижающий, в зависимости от соотношения текущего значения величин V_BUS и V_BAT. Данный преобразователь имеет достаточно высокую рабочую частоту и построен на полевых транзисторах со сравнительно малыми потерями, что позволяет не только уменьшить габариты и стоимость пассивных элементов силовых узлов схемы, но и повысить КПД зарядной системы (в ряде случаев ее эффективность превышает 96%).

Частота работы преобразователя (750 кГц либо 1,5 МГц) может быть задана пользователем через интерфейсную шину I²C. Основной режим работы конвертера – широтно-импульсная модуляция, однако в области малых нагрузок для увеличения эффективности он автоматически переводится в режим частотно-импульсной модуляции (эту опцию можно отключить программно).

Микросхемы SGM41574 и SGM41575 поддерживают следующие стандарты и технологии, связанные с зарядом устройств, имеющих встроенные аккумуляторные батареи:

• NVDC (Narrow Voltage Direct Charging);
• BC1.2 (Battery Charging 1.2);
• QC2.0 (Quick Charge 2.0);
• HVDCP (High Voltage Dedicated Charging Port);
• USB OTG;
• USB-PD 3.0 PPS (Programmable Power Supply);
• DPM (Dynamic Power Management).

При этом они обладают возможностью автоматического определения типа зарядного устройства, к которому подключаются при помощи контактов D+ и D–.

Отметим, что рассматриваемые микросхемы могут идентифицировать не только стандартные порты (SDP, DCP, CDP, HVDCP), но и нестандартные при помощи двух регистров: DPLUS_DAC и DMINUS_DAC, состояние которых настраивается через цифровой интерфейс

SGM41574 и SGM41575 позволяют реализовать безопасный заряд и работу аккумуляторов, а также всей системы в целом при помощи целого комплекса защитных механизмов. Данный комплекс включает в себя защиту от:

• повышенного напряжения:

o     на входе микросхемы;

o     на выходе микросхемы;

o     на батарее;

o     на выходах внешних источников питания;

• токовой перегрузки и короткого замыкания батареи:

o     при заряде;

o     в режиме USB OTG);

• перегрева батареи;
• перегрева микросхемы;
• а также таймеры безопасной длительности заряда.

Текущее состояние микросхемы записывается в регистры статуса и ошибок в режиме реального времени и может быть прочитано при помощи интерфейса I²C в любой момент. Кроме того, о возникновении неисправности будет сигнализировать состояние выводов STAT и nINT. Первый из них может использоваться для прямого подключения индикатора аварии (например, светодиода) – при возникновении аварийной ситуации он начнет мигать с частотой 1 Гц. На втором (при условии его подтягивания к плюсу через резистор) в момент фиксации неисправности сформируется импульс длительностью 256 мкс (активный уровень – НИЗКИЙ). Данный импульс может быть использован для связи микросхемы с хостом, такой подход высвобождает ресурсы последнего за счет того, что исчезает необходимость постоянного опроса регистров контроллера заряда.

В состав SGM41574 и SGM41575 также входит 16-битный аналого-цифровой преобразователь, позволяющий измерять следующие параметры системы:

• напряжение на входе микросхемы (вывод VBUS);
• ток на входе микросхемы (вывод VBUS);
• напряжение на положительном контакте батареи;
• напряжение на отрицательном контакте батареи (только для SGM41575);
• ток заряда батареи;
• напряжение на выходе микросхемы (вывод SYS);
• температура батареи;
• температура микросхемы;
• напряжение на выводах D+ и D–;
• напряжение на выходах обоих источников энергии.

Все измеренные значения записываются в соответствующие регистры микросхемы и могут быть прочитаны в любой момент при помощи интерфейса I²C. Благодаря такой возможности пользователь может отслеживать состояние системы в режиме реального времени, что позволяет при необходимости скорректировать стратегию заряда батареи.

Упрощенная схема включения микросхем SGM41574 и SGM41575 показана на рисунке ниже (голубым цветом обозначен путь тока в основном режиме работы).

Рассмотрим подробнее основные особенности данных микросхем.

Архитектура NVDC

В основе SGM41574 и SGM41575 лежит архитектура NVDC (Narrow Voltage Direct Charging), позволяющая осуществлять интеллектуальное управление процессами заряда и разряда батареи. Основа данного подхода – полевой транзистор BATFET, дающий возможность подключать положительный контакт аккумулятора напрямую к выходу микросхемы (то есть к остальной части устройства).

Если устройство подключено к источнику питания, и при этом аккумулятор полностью заряжен, система NVDC автоматически прерывает заряд батареи, размыкая выводы BAT и SYS при помощи ключа BATFET. В результате вся схема запитывается напрямую от источника питания по линии VBUS–SYS через импульсный преобразователь, а аккумулятор в данном процессе не участвует. Если же устройство отключается от источника энергии, система NVDC мгновенно переводит устройство на питание от батареи путем замыкания транзистора BATFET. При этом скорость включения транзистора является достаточной, чтобы обеспечить бесперебойность работы всей схемы.

Кроме того, существует и так называемый гибридный режим работы NVDC, который активизируется, когда мощности источника питания не хватает для обеспечения потребностей устройства, например, в моменты включения индуктивной нагрузки, характеризующейся сильными бросками потребляемого тока. В этом случае транзистор BATFET будет замкнут системой NVDC независимо от степени заряда батареи, и питание всей схемы организуется при совместном участии как источника, так и аккумулятора.

Одно из основных достоинств архитектуры NVDC, которое напрямую следует из приведенного выше алгоритма ее работы – возможность избежания циклической перезарядки аккумулятора, снижение нагрузки на него и, как следствие, продление срока службы батареи. При этом пользователь может вообще не вспоминать о том, что при полном заряде аккумулятора устройство следует отключить от источника питания. Кроме того, при использовании NVDC устройство без проблем включится от внешнего адаптера даже при полностью разряженной батарее или при ее отсутствии.

Также данная архитектура позволяет упростить проектирование остальной схемы устройства, поскольку его напряжение питания будет ограничиваться достаточно узким рабочим диапазоном аккумулятора (отсюда следует и название архитектуры), что дает возможность использования элементов с более низким номинальным напряжением. Еще одним преимуществом NVDC является минимизация потерь при работе устройства как от батареи, так и от внешнего источника питания за счет гибкого распределения энергии между ними.

К недостаткам рассматриваемой архитектуры можно отнести некоторую сложность ее реализации, а также увеличение потребления тока устройством при той же мощности за счет снижения напряжения питания.

Динамическое управление питанием (DPM)

Одной из важных особенностей микросхем SGM41574 и SGM41575 является функция динамического управления питанием (Dynamic Power Management, DPM). С одной стороны, она позволяет избежать перегрузки внешнего источника питания, а с другой – обеспечить устройство необходимой энергией даже в тех случаях, когда внешний источник энергии не в состоянии этого сделать. Для достижения такого результата SGM41574 и SGM41575 автоматически снижают ток заряда батареи, если потребление остальной схемы по каким-либо причинам начинает расти. Это позволяет сохранить суммарное потребление тока устройством на прежнем уровне. Если же нагрузочная способность внешнего источника оказывается ниже текущих потребностей устройства, активизируется описанный выше гибридный режим работы системы NVDC, и недостаток энергии компенсируется за счет внутреннего аккумулятора устройства.

Для реализации функции DPM микросхема постоянно отслеживает напряжение на входном выводе VBUS (V_BUS) и протекающий через него ток (I_BUS), а затем сравнивает измеренные значения с пороговыми (VINDPM и IINDPM, соответственно). При возникновении перегрузки внешнего источника питания входное напряжение начнет падать, а входной ток – расти. Если это приведет к выполнению условия V_BUS < VINDPM или I_BUS > IINDPM, микросхема автоматически перейдет в соответствующий режим DPM. При этом она будет стараться удерживать питание остальной части устройства (вывод SYS) на минимально возможном уровне VSYSMIN и одновременно снижать ток заряда батареи, пока не будут выполнены условия V_BUS ≥ VINDPM и I_BUS ≤ IINDPM.

Если зарядный ток снизится до нуля, а данные условия еще не будут выполнены, интегральная схема активизирует гибридный режим работы системы NVDC. В данном режиме установленное значение VSYSMIN игнорируется, поскольку питание устройства осуществляется в том числе и за счет его внутренней батареи, а напряжение на выводе SYS поддерживается на уровне чуть ниже чем потенциал положительного контакта аккумулятора.

На рисунке ниже показаны осциллограммы напряжения и тока при работе устройства от внешнего источника +5,0 В/3 А (для графика I_SYS масштаб не соблюден). Текущий уровень заряда встроенной батареи составляет V_BAT = +6,5 В, зарядный ток установлен на 1,5 А, а минимальное напряжение на выводе SYS (VSYSMIN) - на +7,0 В. Пороговые значения напряжения и тока (VINDPM и IINDPM) приняты равными +4,5 В и 3 А, соответственно. Графики V_BUS и I_BUS иллюстрируют напряжение и ток на выходе внешнего источника питания, графики V_SYS и I_SYS – напряжение и ток на выводе SYS микросхемы. Графики I_BAT и V_BAT отображают ток заряда батареи и напряжение на ней:

Пороговые значения VINDPM, IINDPM и VSYSMIN могут быть заданы пользователем через одноименные регистры микросхемы посредством интерфейсной шины I²C.

Диапазоны устанавливаемых значений и минимальный шаг их изменения:

• VSYSMIN: +2,5…+16,0 В, шаг 250 мВ;
• VINDPM: +3,6…+22,0 В, шаг 100 мВ;
• IINDPM: 0,1…3,3 А, шаг 10 мА.

На текущую активность режима DPM указывает состояние битов статуса VINDPM_STAT и IINDPM_STAT. Данные флаги устанавливаются при активизации соответствующего режима динамического управления питанием.

Функция оптимизации входного тока (ICO)

При динамическом управлении питанием в ряде случаев будет полезно воспользоваться функцией оптимизации входного тока (Input Current Optimizer, ICO), поддерживаемой микросхемами SGM41574 и SGM41575. Она позволяет автоматически получить от внешнего источника питания максимальный ток и при этом избежать его перегрузки.

Поскольку одним из индикаторов превышения нагрузочной способности источника является снижение напряжения на его выходе, то при возникновении ситуации V_BUS < VINDPM (описанной выше) и включенной функции ICO микросхемы автоматически начнут постепенное снижение порогового значения тока. Данный процесс будет длиться до тех пор, пока выходное напряжение источника питания не вернется в норму (V_BUS ≥ VINDPM). Это будет означать, что текущее потребление устройства является оптимальным.

Обратите внимание, что если функция ICO включена, при работе с током в режиме DPM микросхемы SGM41574 и SGM41575 ориентируются на содержимое регистра ICO_ILIM, а не IINDPM

Отметим, что по умолчанию оптимизация входного тока отключена, и для ее активизации необходимо установить бит EN_ICO. После этого при подключении микросхемы к зарядному устройству типа DCP алгоритм ICO запускается автоматически. Если в качестве внешнего источника используется зарядное устройство другого типа (в том числе не поддерживающее спецификацию USB), данный алгоритм необходимо запускать принудительно.

Функция выбора внешнего источника питания

SGM41574 и SGM41575 могут быть одновременно подключены к двум внешним источникам питания и имеют возможность выбора одного из них в режиме реального времени. Данная функция позволяет использовать микросхемы в устройствах, имеющих два зарядных порта, а также в решениях, поддерживающих как проводную, так и беспроводную зарядку.

Переключение между источниками питания осуществляется посредством интерфейсной шины I²C путем установки/сброса битов EN_ACDRV1 и EN_ACDRV2. Кроме того, имеется возможность измерения напряжения на выходе каждого из источников при помощи встроенного АЦП (выводы VAC1 и VAC2, а также регистры VAC1_ADC и VAC2_ADC).

Для работы с двумя внешними источниками питания потребуется установка нескольких внешних элементов. При этом возможны три различных способа формирования напряжения на выводе VBUS, когда напряжение поступает от:

• одного источника (Single Input);
• одного или двух источников (Single/Dual Input);
• двух источников (Dual Input).

Первый способ не требует внешних компонентов и является наиболее простым и распространенным. Сфера его применений – типовые устройства, имеющие один зарядный вход. При использовании второго способа один из внешних источников энергии подключен ко входу микросхемы постоянно, а второй является отключаемым. Данное решение может применяться, например, в устройствах с поддержкой беспроводной зарядки, в которых заряд внутренней батареи по проводам должен осуществляться только при отсутствии беспроводного. Третий вариант наиболее сложный и дорогой, однако он дает максимальную гибкость: пользователь может самостоятельно переключиться на нужный внешний источник. При этом микросхема осуществляет постоянный мониторинг напряжения на выходах обоих ИП, и в случае исчезновения одного из них или возникновения аварийной ситуации выполняет автоматический переход на оставшийся исправный вход. Сфера применения третьего способа – изделия среднего и верхнего ценовых диапазонов, имеющие два зарядных порта.

Работа в режиме USB OTG

Микросхемы SGM41574 и SGM41575 имеют поддержку спецификации USB OTG, что позволяет устройству выступать не только как потребитель энергии, но и как ее источник. При активировании этого режима появляется возможность передавать энергию из внутренней батареи в нагрузку через USB-порт.

 

Включение и выключение режима OTG, а также настройка выходного напряжения и тока устройства осуществляется посредством интерфейсной шины I²C. Активация осуществляется с помощью установки бита EN_OTG, а за установку основных параметров зарядного порта отвечают регистры VOTG и IOTG.

По умолчанию микросхемы SGM41574 и SGM41575 выдают на выход напряжение +5,0 В с нагрузочной способностью до 3 А, однако данные значения могут быть изменены пользователем. Диапазон изменения выходного напряжения составляет +2,8…+22,0 В (шаг 10 мВ, точность установки не хуже ±3%), диапазон изменения выходного тока – 0,12…3,32 А (шаг 40 мА, точность установки не хуже ±20% для токов выше 1 А). Однако следует помнить, что как только ток разряда батареи превысит пороговое значение, установленное в битах IBAT_REG[1:0], выходной ток будет автоматически снижен.

В режиме OTG микросхемы сохраняют возможность управления внешними входами (рассмотренную в предыдущем разделе), поэтому при наличии в системе двух зарядных портов пользователь имеет возможность подачи напряжения на любой из них.

 

Также необходимо помнить, что переход в режим OTG и работа в нем возможны только при определенной температуре внутренней батареи устройства. Для ее измерения используется встроенный в аккумулятор NTC-датчик номиналом 10 кОм, сигнал с которого подключается ко входу TS микросхемы при помощи несложного обвеса.

Чтобы рассматриваемые микросхемы имели возможность входа в режим USB OTG, температура батареи должна лежать в пределах T_COLD…T_HOT, где нижнее значение рекомендуется брать равным –10°С или –20°С, а верхнее, соответственно, 55°С, 60°С или 65°С.

Режим транспортировки (Ship Mode)

Микросхемы SGM41574 и SGM41575 обладают возможностью перехода в режим транспортировки, предназначенный для минимизации тока, потребляемого от внутренней батареи устройства. При этом цепь, соединяющая аккумулятор с остальной схемой, размыкается при помощи N-канального полевого транзистора, управляемого выводом SDRV (правый рисунок).

Нетрудно видеть, что в этом случае потеря энергии внутренней батареей будет происходить исключительно за счет ее саморазряда, а также утечки через полевой транзистор (единицы мкА) и потребления через вывод BATP микросхемы (не более 10 мкА, как указано в технической документации). Поэтому рассматриваемый режим применяется для экономии заряда аккумулятора и продления срока его службы во время ожидания, транспортировки устройства и длительного хранения.

Обратите внимание, что если полевой транзистор в схеме не используется, вывод SDRV должен быть заземлен через конденсатор номиналом 1 нФ (левый рисунок)

SGM41574 и SGM41575 могут быть переведены в режим транспортировки посредством интерфейсной шины ^I2C в любой момент времени при помощи управляющих битов SDRV_CTRL[1:0]. При этом интерфейс управления остается активным, и хост может продолжать работу с микросхемой в обычном режиме. Выход из режима транспортировки может быть осуществлен либо принудительным сбросом битов SDRV_CTRL[1:0], либо переводом устройства в режим USB OTG. При подключении внешнего источника питания микросхема выйдет из данного режима автоматически.

Автономный режим работы

При подаче питания или после перезагрузки SGM41574 и SGM41575 сначала начинают работать в автономном режиме. При этом все регистры сбрасываются до значений по умолчанию, а микросхема функционирует как автономное зарядное устройство. Если не поступает никаких команд со стороны хоста, начинается обычный цикл зарядки внутренней батареи, который завершается после ее полного заряда. В дальнейшем после снижения напряжения на аккумуляторе ниже установленного порогового значения интегральная схема начинает новый зарядный цикл, и так по кругу.

Параметры системы в автономном режиме определяются сопротивлением резистора, подключенного к выводу PROG. С его помощью можно задать количество элементов в аккумуляторе и начальную частоту работы импульсного преобразователя.

Остальные параметры системы будут автоматически рассчитаны исходя из количества элементов в батарее.

Для выхода из автономного режима достаточно изменить содержимое любого регистра посредством интерфейса I²C.

Схема включения

Типовая схема включения микросхем SGM41574 и SGM41575, рассчитанная на работу с аккумулятором, состоящим из двух элементов, имеющая два зарядных порта и поддерживающая режим транспортировки, представлена на рисунке.

По продукции SG Micro Corp вам также ответят наши специалисты:

ТЕХНИЧЕСКИЕ ВОПРОСЫ, ЗАКАЗ ОБРАЗЦОВ, УСЛОВИЯ ПОСТАВКИ, ПОДБОР АНАЛОГОВ

или свяжитесь с нами: info@unirec.ru; 8 (800) 511-65-20