SGM41566线性可调充电器充电解决方案

作者：田怀山、成红玉、徐林

摘要

如今便携式电子产品市场发展迅速，消费者对电池充电器的要求也逐渐严苛。这就需要设计工 程师寻找解决方案以最大限度地利用电池容量，改善电池寿命，简化充电操作等。在设计可靠的电 池充电系统时，了解电池的充电特性以及应用需求是至关重要的。本应用指南主要以SGM41566为例介绍线性可调充电器芯片的典型应用电路设计，以及电池充电过程中本器件的几项特殊功能，以 便于用户灵活设计应用。

1 产品概述

电池充电芯片是负责充电管理的关键部件之一。充电器芯片的主要功能是监测和控制电池的充 电状态，在电池电量不足时提供合适的电流和电压进行充电，在充满时停止充电，防止过充过放。 电池充电器芯片除了具有充电管理功能外，还可以提供过压保护、过流保护、过热保护等安全保障 功能，确保充电的安全可靠。因此，电池充电器芯片被广泛应用于移动电源、智能可穿戴设备、汽 车电子、消费电子等领域。本应用指南主要介绍 SGMICRO 的 SGM41566 线性充电解决方案。

SGM41566 是一款具有输入条件检查功能的恒压恒流型充电芯片，支持无线充、太阳能电池、 PFC 馒头波电源等较弱能力的松耦合电源充电，具备在复杂环境中充电的能力，易用且便捷。该芯 片具有输入钳位、输出钳位、温度调节、NTC 控温保护、浮充保护等功能，非常适合低容量可充电 电池供电的应用。

SGM41566 具有完整的预充电、恒流充电、恒压充电流程，各阶段充电电流均可选择。恒流充 电电流 I_CHG 在 50mA 至 750mA 范围内 50mA 步进可选；预充电电流和满充截止电流在（5% × I_CHG） 至（25% × I_CHG）范围内（5% × I_CHG）步进可选，且具有无预充功能（No pre-charge）选项来满足部 分电池低压阶段的大电流充电需求。满充电压在 3.5V 至 4.8V 范围内 25mV 步进可选，可方便的适 用于磷酸铁锂电池、锰锌电池、锂离子电池、3 节/4 节镍氢电池的电子设备。

2 电路设计

图 1 展示了 SGM41566 的典型应用电路。

2.1 充电输入

IN 为充电电源输入引脚，为设备供电并馈送到充电输出。推荐使用有效电容在 0.1μF ~ 12μF 之 间的电容。为了解耦，应将其靠近该引脚处放置。

2.2 温度监控和使能输入

TSEN为温度监控和使能输入引脚。一个接地的NTC热敏电阻连接到TSEN引脚用于温度检测。 只有温度在合适的范围内才允许充电。

检查该引脚的外部连接，一旦电源输入电压在有效范围内，芯片输出 38.6μA 电流。如果引脚电 压小于 VENL（102mV），则视为接地，同时当输出电流减小到 25.5μA 时，充电功能被关闭。如果引 脚电压高于 VENH（2.68V），则开启充电功能。

当连接 NTC 热敏电阻，引脚电压在 V_ENL和 V_ENH之间时，根据电阻阻值变化可以判断电池温度， 从而实现安全充电。在这种情况下，只有当引脚电压在热阈值电阻相关电压 V_HOT到冷阈值相关电压 V_COLD 的范围内时，才允许充电。若阻值变化使引脚电压在 V_COLD 和 V_ENH之间时，则认为处于过冷 状态或 NTC 连接断开，停止充电。若阻值变化使引脚电压在 V_HOT和 V_ENL之间时，则认为处于过热 状态，充电功能失效。

2.3 充电输出

BAT 引脚输出到电池和/或系统负载，为电池充电和/或供电给系统负载。推荐使用有效电容在 1μF ~ 12μF 范围内的输出电容。当引脚电压略高于充电电压时，漏电约 4μA；当引脚电压高于输出 钳位电压（104% × VCHG）时，主动放电约 1.5mA，实现过压保护。

3 充电循环

SGM41566 是一款非常先进的线性电池充电器芯片。SGM41566 各充电阶段的充电电流均可方 便选择，因此具有很大的设计灵活性。

3.1 充电过程

图 2 展示了本芯片不带激活充电功能的充电曲线。

3.2 预充电（Pre-Charge）

预充电（Pre-Charge）用来先对完全放电的电池单元进行预充（恢复性充电）。在电池电压 VBAT 低于预充电阈值（65% × V_CHG）左右时采用预充电。预充电电流 IPRE约为恒流充电电流 ICHG 的 5% 到 25%步进可选。

预充电安全时间

为避免进一步损坏电池或系统负载，如果 BAT 引脚电压低于（65% × V_CHG）超过 tSAFE（94 分钟）， 将停止充电。对于 50Hz 整流输入电压波形，当输入电压低于 V_UVLOf时，SGM41566 没有此保护 功能。“无预充电”选项的芯片不支持此保护功能

3.3 恒流充电（CC Charge）

当电池电压 V_BAT上升到预充电阈值（65% × V_CHG）以上时，提高充电电流进行恒流充电。电池 电压随着恒流充电过程逐步升高。

3.4 恒压充电（CV Charge）

当电池电压上升到 V_CHG 时，恒流充电结束，开始恒压充电阶段。电流根据电芯的饱和程度，随 着充电过程的继续，充电电流由最大值慢慢减少。本芯片具有浮充（Floating Charge）超时保护功能， 当系统负载电流大于满充截止电流时，并且电池电压高于浮充电压超过 t_FLT 时，芯片将停止充电， 进入充电结束回退保持状态。当系统负载电流小于满充截止电流时，仍维持 t_FLT/2 的浮充时间，来确 保电池可以被充满。

3.5 回退保持（Fold-Back Retaining）

回退保持，即在电池充满后的安全电压回退功能。当确认充电结束时，它将输出降低到安全电 压 VFCHG（即 98% × VCHG），同时将电流限制保持在正常充电的水平，并保留对负载系统的功率。该设计避免了在充电电源一直连接的情况下频繁放电和充电循环，对延长长期挂载设备的电池寿命有 极大的帮助。

3.6 激活充电（Active Charge）

除上述预充电、恒流充电、恒压充电、回退保持阶段外，SGM41566 还具有特殊设计的深度放电电池激活充电功能。当电池电压低于深度放电激活检测门限 VBAT_ACT 时，SGM41566 会以恒流充 电电流 ICHG 给电池充电 12.5ms，以快速激活电池，此后会自动进入预充电阶段。带激活充电功能的 充电曲线如图 3 所示。

3.7 充电流程

图 4 描述了该芯片从充电起始到完成，再到自动充电的整个流程算法。

4 充电波形

图 5 描述了在 V_IN = 5V，V_TSEN = 0.4V，T_J = +25℃，V_BAT = 3V 条件下，采用 SGM41566 应用电 路（见图 1）进行馒头波充电的波形。输入的交流电经过全桥整流电路之后变为馒头波（50Hz，V_IN）。 由图 5 可见，输出电流（I_BAT）与输入充电电压（V_IN）同相位，这就有效提高了电路的功率因素。 因此，系统设计者可采用 SGM41566 实现 PFC 馒头波电源充电。

5 结论

SGM41566 线性充电器，以体积小、外围电路简单、成本低廉及无开关噪声等优点，在众多对 PCB 布板面积要求较高、充电电流相对较小的便携式电子设备中大量使用。其便捷易用的特性可以 缩短从设计到投入市场的时间。

为了在便携式电子产品中使用最新的电池技术，更好的设计合适可靠的电池充电系统，您需了 解电池的充电特性以及应用要求。本应用指南介绍了一款独立的线性可调充电器的充电解决方案。 开发任何电池充电系统时，用户可根据自身需求进行参考应用于设计。

参考资料

[1] SG Micro Corp. SGM41566 Datasheet [EB/OL]. (2022-10).

[2] Scott Dearborn. Power Management in Portable Applications: Charging Lithium-Ion/Lithium-Polymer Batteries [EB/OL].

[3] 解析锂电池的充电的整个过程 [EB/OL]. (2019-07)