带IIC接口同步降压、快速充电、升压放电双向芯片SC8813使用介绍
特性
- 支持1至4节电池
- 宽输入电压范围(充电模式):VBAT至36V
- IIC设置充电电流、充电电压、输入输出电流限制
- 开关频率150K到450K可调
- 10位ADC
- 充电状态指示
- 电源路径管理
- 欠压保护、过流保护、短路指示、过温保护
电路简图
引脚
编号 | 名称 | I/O | 描述 |
---|---|---|---|
1 | GPO | O | 通用开漏输出。由GPO_CTRL位控制。用户可使用此引脚通过上拉电阻驱动外部PMOS。建议将GPO应用于放电端口。 |
2 | CP | O | 外部充电泵电路的驱动器。(不建议使用充电泵。建议将此引脚悬空,并将VDRV与VCC连接。如需使用充电泵,请咨询当地现场应用工程师) |
3 | INDET1 | I | 将此引脚连接到USB-A端口,以检测负载插入事件。当检测到插入事件时,IC会设置INDET1位并输出一个INT中断脉冲以通知MCU。 |
4 | PGATE/DITHER | IO | 由PGATE位控制的PMOS门驱动器,用于控制充电路径上的外部PMOS。该引脚可通过I2C配置,以实现开关频率抖动功能。启用频率抖动功能时,请将该引脚与地之间连接一个陶瓷电容器(通常为100nF)。 |
5 | INDET2 | I | 将此引脚连接到USB-A端口,以检测负载插入事件。当检测到插入事件时,IC会设置INDET2位,并输出一个INT中断脉冲以通知MCU。 |
6 | ACIN | I | 将此引脚连接到交流适配器输入节点或微型USB端口,以检测交流适配器的插入事件。当检测到插入事件时,IC会设置AC_OK位并输出一个INT中断脉冲以通知MCU。 |
7 | /CE | I | 芯片启用控制。将此引脚拉至逻辑低电平以启用集成电路(IC);拉至逻辑高电平以禁用IC。此引脚内部已拉至低电平。 |
8 | PSTOP | I | 电源停止控制。将此引脚拉至逻辑低电平可启用电源模块;拉至逻辑高电平则禁用电源模块,IC进入待机模式。在待机模式下,只有交流适配器和负载插入检测功能以及I2C电路保持工作。此引脚内部被拉至低电平。 |
9 | SCL | I | I2C接口时钟。通过上拉电阻(通常为10 kΩ)将SCL连接到逻辑轨。该IC作为从设备工作,其I2C地址为0x74H。 |
10 | SDA | I/O | I2C接口数据。通过上拉电阻(通常为10 kΩ)将SDA连接到逻辑轨。 |
11 | INT | O | 中断信号的开漏输出。当发生中断事件时,集成电路(IC)会在INT引脚上发送一个逻辑低脉冲,以通知主机。 |
12 | AGND | I/O | 模拟地。在集成电路下方的散热垫处,将PGND和AGND连接在一起。 |
13 | ADIN | I | ADC输入引脚。向该引脚施加一个模拟信号(≤2.048V),内部10位ADC可以将该模拟信号转换为数字信号,并将数字值存储在寄存器中。 |
14 | DP | IO | USB接口的正数据线。可由MCU控制,与适配器进行握手,实现快速充电。 |
15 | DM | IO | USB接口的负极数据线。可由MCU控制,与适配器进行握手以实现快速充电。 |
16 | FB | I | VBUS电压反馈节点。从VBUS到FB连接一个电阻分压器,以外部方式设置VBUS放电输出电压。FB参考值也可通过I2C编程设置。 |
17 | COMP | I | 在此引脚处连接电阻和电容,以补偿控制回路。 |
18 | VBATS | I | VBAT电压的感测节点。若选择内部方式设置VBAT充电终止电压,则连接至VBAT干线;若选择外部方式,则在VBATS处连接电阻分压器。 |
19 | SNS2N | I | 电流检测放大器的负输入端。连接至电源路径上的电流检测电阻(典型值为10 mΩ)的一个焊盘,以检测流入或流出电池的电流。 |
20 | SNS2P | I | 电流感测放大器的正输入。连接到电源路径上电流感测电阻器(典型值为10 mΩ)的另一个焊盘,以感测流入或流出电池的电流。 |
21 | VBAT | I | 集成电路的电源。连接到电池正极节点。将一个1微法的电容从该引脚连接到PGND,并尽可能靠近集成电路。 |
22 | NC | NC引脚。保持该引脚浮空。 | |
23 | VCC | O | 内部5V线性稳压器的输出。请在尽可能靠近IC的位置,将一个1μF的电容器从VCC引脚连接到PGND。 |
24 | VDRV | I | 内部驱动电路的电源输入。获取电源的一种方式是将VCC直接连接到此引脚。另一种方式是使用CP驱动器在VCC和VDRV引脚之间实现电荷泵。(不建议使用电荷泵。如果使用电荷泵,请咨询当地现场应用工程师) |
25 | PGND | I/O | 电源地。将PGND和AGND在IC下方的PGND散热垫处连接在一起。 |
26 | LD | O | 栅极驱动器向外部低压侧MOSFET输出。 |
27 | SW | I/O | 开关节点。连接到电感器。 |
28 | HD | O | 栅极驱动器向外部高压侧MOSFET输出。 |
29 | BT | I | 在BT引脚和SW引脚之间连接一个100nF的电容器,为高压侧MOSFET驱动器引导偏置电压。 |
30 | VBUS | I | 集成电路的电源。连接到VBUS轨。在此引脚与PGND之间尽可能靠近集成电路的位置放置一个1 μF的电容器。 |
31 | SNS1N | I | 电流感测放大器的负输入端。连接至电源路径上的电流感测电阻器(典型值为10 mΩ)的一个焊盘,以感测流入或流出VBUS的电流。 |
32 | SNS1P | I | 电流检测放大器的正输入端。连接至电源路径上的电流检测电阻(典型值为10 mΩ)的一个焊盘,以检测流入或流出VBUS的电流。 |
33 | 导热焊盘 | PGND导热焊盘。在IC下方的导热焊盘处将PGND和AGND连接在一起 |
功能描述
充电模式
充电模式还是放电模式的选择由EN_OTG位设置。
EN_OTG位为0,工作在充电模式。
充电过程包含:涓流充电、恒流充电、恒压充电
涓流充电
涓流充电电压阈值可通过 TRICKLE_SET 位设置为每节 4.2V的 60% 或 70% 。在涓流充电阶段,为了电池单元的良好状态,充电电流会减小到一个较小的值。如果 ICHAR_SEL 位为 0,IBUS 会减小到所设置的 IBUS 电流限制值的 22%;如果 ICHAR_SEL 位为 1,IBAT 会减小到所设置的 IBAT 电流限制值的 10%。
如果不需要涓流充电阶段,用户可以将 DIS_TRICKLE 位设置为 1 来禁用它。
恒流充电
当电池单元电压高于涓流阈值时,IC 以由 IBUS 限制或 IBAT 限制设置的恒流为电池单元充电,这两个限制分别通过 IBUS_LIM_SET 和 IBAT_LIM_SET 寄存器设置。电流限制值可以动态更改,并且还与电流检测电阻和比率位有关。有关详细信息,请参阅寄存器映射部分。
在充电模式下,IC 调节首先达到其电流限制值的电流。例如,如果 IBUS 电流限制设置为 3A,IBAT 限制设置为 10A,而当 IBUS 达到 3A 时,IBAT 仅为 6A,远低于 IBAT 限制的 10A,那么 IC 会将 IBUS 限制在 3A。
不允许将任何电流限制设置为 0A。请将最小电流限制保持在 0.3A 以上。
恒压充电
电池目标电压可以通过 CSEL 位和 VCELL_SET 位在内部设置。CSEL 位设置串联连接的电池单元数量,VCELL_SET 位设置每节电池的电压。
例如,如果电池单元是 xp1s 连接(几个单元并联,但仅一个串联),且单元电压为 4.3V,用户应将 CSEL 设置为 00(1S),并将 VCELL_SET 位设置为 011(4.3V)。如果电池单元是 xp2s 连接且单元电压为 4.3V,则用户应将 CSEL 设置为 01(2S)。
当电池充电电压在内部设置时,用户应将 VBATS 引脚连接到 VBAT 端子以检测电池电压,并且应将 VBAT_SEL 位设置为 0。
如果 VBAT_SEL 设置为 1,则表示电池电压是外部设置的。在这种情况下,用户应在 VBATS 引脚上使用电阻分压器来设置目标电压,如下所示。VCELL_SET 和 CSEL 位不工作。VBATS 的参考电压为 1.2V。
当电池单元电压达到单元目标电压的 98% 时,IC 进入恒压充电阶段。在这个阶段,VBAT 电压被调节到目标值,充电电流逐渐减小。
充电结束(EOC)
当满足以下两个 EOC 检测的电压条件和电流条件时,IC 进入 EOC 阶段,并通过 EOC 中断位通知 MCU:
- 单元电压高于设定值的 98%
- IBUS 或 IBAT 电流(由 ICHAR_SEL 位决定)低于其电流限制值的 1/10 或 1/25(由 EOC_SET 位决定)。
在 EOC 阶段,IC 可以终止充电过程或继续为电池单元充电,这可以通过 DIS_TERM 位设置。如果 IC 继续充电,它会将电池单元电压调节到设定值。
重新充电
如果 IC 在检测到 EOC 后终止充电过程,由于电池单元的泄漏或工作电流,电池电压可能会缓慢下降。一旦 VBAT 电压下降到设定电压的 95% 以下,EOC 位被清除,IC 进入 CC 充电阶段并为电池重新充电。
自适应充电电流(VINREG)
IC 具有动态电源管理功能。允许的最小 VBUS 工作电压是 VINREG 阈值,该阈值可以通过 VINREG_SET 寄存器和 VINREG_RATIO 位动态设置。在充电过程中,如果 IBUS 充电电流高于适配器的电流能力,适配器将过载,VBUS 电压被拉低。一旦 IC 检测到 VBUS 电压下降到 VINREG 阈值,它会自动减小充电电流并将 VBUS 电压调节到 VINREG 阈值。
电池阻抗补偿
IC 提供电池阻抗补偿功能。用户可以通过 IRCOMP 位设置阻抗,然后 CV 阶段的 VBAT 目标电压将被补偿为:
其中:
VBAT_cmp 是补偿后的电池电压目标
VBAT_set 是最初设置的电池终止目标
IBAT 是电池侧的充电电流
IRCOMP 是由 IRCOMP 位设置的电阻补偿值
V_CLAMP是允许的最大补偿值,固定为 125mV。
用户应仔细评估实际电池阻抗。如果 IRCOMP 位设置的值高于实际值,将导致过充。
放电模式
当 EN_OTG 位设置为 1 时,IC 进入放电模式。在放电模式下,电池(VBAT)放电,电流从 VBAT 流向 VBUS。
如果 FB_SEL 设置为 0,VBUS 输出电压通过 VBUSREF_I_SET 和 VBUSREF_I_SET2 寄存器以及 VBUS_RATIO 位在内部设置。VBUS 可以动态更改,推荐的 VBUS 电压范围为 3.5V 至 25.6V。当 VBUS 低于 10.24V 时,建议将 VBUS_RATIO 设置为 5x,因此最小变化步长为 10mV / 步;当 VBUS 高于 10.24V 时,VBUS_RATIO 应设置为 12.5x,最小变化步长为 25mV / 步。
如果 FB_SEL 设置为 1,VBUS 电压目标通过外部设置,即通过连接在 FB 引脚上的电阻分压器设置,可以按如下方式计算:
即使 VBUS 是外部设置的,用户仍然可以通过 VBUSREF_E_SET 和 VBUSREF_E_SET2 寄存器更改参考电压 VBUSREF_E 来动态更改 VBUS 电压。默认 VBUSREF_E 为 1V,推荐的 VBUSREF_E 电压范围为 0.7V 至 2.048V。
有关详细信息,请参阅寄存器映射部分。
IBUS 电流限制和 IBAT 电流限制在放电模式下仍然有效,并且可以动态更改。
不允许将任何电流限制设置为 0A。请将最小电流限制保持在 0.3A 以上。
压摆率设置
当通过参考电压(VBUSREF_I_SET 和 VBUSREF_I_SET2 寄存器或 VBUSREF_E_SET 和 VBUSREF_E_SET2 寄存器)动态更改 VBUS 电压时,参考电压的变化率可以通过 SLEW_SET 位控制。例如,VBUS 以 5x 比率内部设置,初始时 VBUSREF_I = 1V(VBUS = 5V),然后用户将 VBUSREF_I 电压设置为 1.6V 以获得 8V 输出。如果压摆率为 2mV/μs,VBUS 电压将在 300μs 内增加到 8V(600mV / 2mV/μs = 300μs)。
PFM 操作
通过将 EN_PFM 位设置为 1,IC 在放电模式下支持 PFM 操作。在 PWM 模式下,IC 在整个负载范围内始终以恒定开关频率工作。这有助于实现最佳的输出电压性能,但由于高开关损耗,在轻负载条件下效率较低。
在 PFM 模式下,IC 在重负载条件下仍以恒定开关频率工作,但在轻负载条件下,IC 自动切换到脉冲频率调制操作以减少开关损耗。与 PWM 操作相比,轻负载条件下的效率可以提高,但输出电压纹波会稍大一些。下图显示了 PFM 模式下的输出电压行为。
用于电压和电流监控的 ADC
IC 集成了一个 10 位 ADC,因此无论在充电模式还是放电模式下,IC 都可以监控 VBUS/VBAT 电压和 IBUS/IBAT 电流。除此之外,IC 还提供一个模拟输入:用于 10 位 ADC 采样的 ADIN 引脚。ADC 在 ADIN 引脚上可以采样的最大电压为 2.048V,采样分辨率为 2mV / 步。ADC 功能在 AD_START 位设置为 1 后启用。当 ADC 在待机模式下启用时,IC 将有 0.5mA~1mA 的工作电流。有关详细信息,请参阅寄存器映射部分。
电源路径管理
IC 在 PGATE 和 GPO 引脚上提供电源路径管理功能。PGATE 引脚可用于驱动连接在 VBUS 上的 PMOS。当 EN_PGATE 设置为 1 时,PGATE 引脚内部连接到 6kΩ 下拉电阻,VBUS 和 PGATE 之间的最大电压被箝位到 7.35V;当 EN_PGATE 设置为 0 时,PGATE 引脚内部通过 20kΩ 上拉电阻连接到 VBUS 轨。
GPO 引脚是开漏输出,因此需要外部上拉电阻。当 GPO_CTRL 位设置为 0 时,GPO 输出高阻抗;当 GPO_CTRL 设置为 1 时,GPO 内部下拉,下拉电阻为 6kΩ。
建议分别将 PGATE 应用于充电端口,将 GPO 应用于放电端口,如典型应用电路所示。然而,MCU 或系统控制器通过 I2C 接口控制这些位,这需要通信时间,因此 PMOS 可能无法非常快速地开启 / 关闭。在需要非常快速控制隔离 PMOS 的应用中,建议使用 MCU 的 I/O 引脚直接控制 PMOS 的开启 / 关闭。
手机插入检测
如果将 INDETx 引脚连接到 USB-A 端口(多个),如典型应用电路所示,IC 可以检测手机插入。一旦 IC 检测到手机插入,它会设置 INDETx 中断位以通知 MCU。INDETx 位在被 MCU 读取后清除。
适配器连接 / 断开检测
如果将 ACIN 引脚连接到微型 USB 端口,如典型应用电路所示,IC 可以检测适配器的连接 / 断开。
要检测适配器连接,需要将AC_DET 位设置为 0。然后,一旦 ACIN 引脚电压高于 3V,这意味着适配器已插入,IC 设置 AC_OK 中断位以通知 MCU 连接。适配器插入后,要检测断开,需要将 AC_DET 位设置为 1。然后,一旦 ACIN 引脚电压低于 VBAT 电压,这意味着适配器已移除,IC 清除 AC_OK 位以通知 MCU 断开。
换句话说,当 AC_OK 位为 0 时,需要将 AC_DET 位设置为 0 以进行连接检测;当 AC_OK 位为 1 时,将 A_DET 位设置为 1 以进行断开检测。
开关和频率抖动
IC 以固定频率开关,该频率可以通过 FREQ_SET 位调整。开关死区时间也可以通过 DT_SET 引脚设置。有关详细信息,请参阅寄存器映射部分。
IC 还提供频率抖动功能。通过将 EN_DITHER 位设置为 1 可以启用此功能。启用该功能后,开关频率不是固定的,而是在 ±5% 范围内变化。例如,如果开关频率设置为 300kHz(FREQ_SET = 01),频率将从 285kHz 逐渐变化到 315kHz,然后再回到 285kHz,来回变化。从最低频率到最高频率或从最高频率到最低频率的变化时间可以通过连接在 PGATE/DITHER 引脚上的电容控制,如下式所示。例如,如果连接 100nF 电容,时间为 1.2ms。
当 EN_DITHER 设置为 1 时,PGATE 驱动器功能被禁用,PGATE/DITHER 引脚仅用于抖动功能。
VCC 稳压器和驱动器电源
IC 集成了一个稳压器,该稳压器由 VBUS 电压供电,并在 VCC 引脚上产生 5V 电压,典型驱动能力为 25mA。
在待机模式下,VCC 电压不被调节,并且电流能力非常有限。不建议在待机模式下使用 VCC。
内部驱动电路由 VDRV 引脚供电,用户应在 VDRV 引脚上提供电源为电路供电。用户可以将 VCC 直接连接到 VDRV,或将外部电源连接到 VDRV。除了这两种方式外,IC 在 CP 引脚上提供电荷泵驱动器,可以将 VCC 电压泵升为 VDRV 引脚供电。使用电荷泵电路,IC 可以将 VDRV 电压调节到 6V。
不建议为 VDRV 使用电荷泵。如果使用电荷泵,请咨询当地 FAE。
待机模式
当 / CE 信号为低电平且 PSTOP 信号为高电平时,IC 进入待机模式。在这种模式下,IC 停止开关以节省静态电流。其他功能仍然有效,MCU 仍然可以通过 I2C 控制 IC。然而,如果在待机模式下启用 ADC 功能,静态电流将增加到 0.5mA~1mA。
关机模式
当 /CE 信号为高电平时,IC 进入关机模式。在这种模式下,IC 停止工作并禁用 I2C 接口以节省电源。当 / CE 信号拉低时,IC 进入待机模式或活动模式。/CE 信号由内部电阻下拉。
保护
VBUS 过压保护
用户可以通过 DIS_OVP 位在放电模式下启用 / 禁用 VBUS 过压保护。启用 OVP 后,当 VBUS 高于目标电压 10% 时,IC 停止开关。
VBAT 过压保护
IC 在充电模式和放电模式下均实现 VBAT 过压保护。一旦 VBAT 电压高于目标电压 10%,IC 停止开关。
VBUS 短路保护
在放电模式下,如果检测到 VBUS 电压低于 VBAT 电压,IC 设置 VBUS_SHORT 中断位以通知 MCU。同时,IBUS 电流限制值和 IBAT 电流限制值分别降低到设置值的 22% 和 10%,以保护 IC。如果 DIS_ShortFoldBack 位设置为 1,IBUS 和 IBAT 电流限制将不会降低。然而,由于放电模式下的升压架构,电流可以通过高侧功率 MOS 的体二极管从 VBAT 流向 VBUS,并且该电流不能被 IC 限制,因此强烈建议在检测到短路故障后关闭 VBUS 和输出端口之间的隔离 PMOS。
过温保护
当 IC 检测到结温高于 165°C 时,IC 停止开关以保护芯片,并设置 OTP 中断位以通知 MCU。一旦温度下降 15°C,它恢复开关。
DP/DM 握手
IC 集成了 DP/DM 物理接口。当由 MCU 控制时,它可以实现专用充电端口控制器功能或放电模式下 USB-A 端口的快速充电功能。除了作为输出端口接口外,如果 DP 和 DM 引脚连接到充电端口(Micro-B 端口或带 DP/DM 的 Type-C 端口),它可以在充电模式下实现快速充电功能并从适配器感应高 VBUS 电压。
MCU 可以以不同方式控制DP/DM 引脚:1. 引脚悬空,2. 设置引脚以特定输出阻抗源 / 输出 0.6V/1.2V/2.75V 电压,3. 在引脚上吸收电流,4. 将引脚下拉,5. 将 DP 和 DM 引脚短接在一起。IC 还可以监控 DP/DM 引脚的电压电平,并通过 I2C 将状态更新到 MCU。有关详细信息,请参阅寄存器映射部分。
以下显示了专用充电端口功能的典型配置。
为支持上述苹果设备的分压模式,MCU 可按如下方式设置 DP/DM 位:
DP_CTRL = 01(DP 端输出源电压)
DM_CTRL = 01(DM 端输出源电压)
VDP_SET = 10(输出 2.75V,阻抗 30kΩ)
VDM_SET = 10(输出 2.75V,阻抗 30kΩ)
SHORT_CTRL = 0(断开 DP 与 DM 连接)
为支持三星设备的分压模式,MCU 可按如下方式设置 DP/DM 位:
DP_CTRL = 00(浮空)
DM_CTRL = 01(DM 端输出源电压)
VDP_SET = xx(未指定 / 无需关注)
VDM_SET = 01(输出 1.2V,阻抗 100kΩ)
SHORT_CTRL = 1(短接 DP 与 DM)
用户可通过快充协议控制 DP/DM 引脚,以实现充电或放电场景下的快充功能。
I2C 和中断
I2C 接口
IC 具有 I2C 接口,因此 MCU 或控制器可以灵活地控制 IC。芯片的 7 位 I2C 地址为 0x74(8 位地址为 0xE8 用于写命令,0xE9 用于读命令)。SDA 和 SCL 引脚是开漏的,必须通过电流源或上拉电阻连接到正电源电压。当总线空闲时,两条线都为高电平。I2C 接口支持标准模式(高达 100kbit)和快速模式(高达 400kbit,SCL 和 SDA 引脚分别接 5kΩ 上拉电阻)
数据有效性
SDA 线上的数据在时钟的高电平期间必须保持稳定。只有当 SCL 线上的时钟信号为低电平时,数据线的高电平或低电平状态才能改变。每个传输的数据位会生成一个时钟脉冲。
起始和停止条件
所有事务都以起始(S)条件开始,并以停止(P)条件结束。当 SCL 为高电平时,SDA 线从高电平到低电平的转换定义为起始条件。当 SCL 为高电平时,SDA 线从低电平到高电平的转换定义为停止条件。
起始和停止条件始终由主机生成。起始条件之后,总线被视为忙状态。停止条件之后的某个时间,总线被视为再次空闲。
字节格式
放在 SDA 线上的每个字节必须是 8 位长。每次传输可以传输的字节数不受限制。每个字节后面必须跟一个应答位。数据传输时先传输最高有效位(MSB)。如果从机在执行某些其他功能(例如处理内部中断)之前无法接收或传输另一个完整的数据字节,它可以将时钟线 SCL 拉低,迫使主机进入等待状态。当从机准备好接收另一个数据字节并释放时钟线 SCL 时,数据传输继续。
应答(ACK)和非应答(NACK)
每个字节之后都有应答。应答位允许接收方向发送方信号通知该字节已成功接收,并且可以发送另一个字节。在数据传输期间,主机可以是发送方或接收方。无论哪种情况,主机都会生成所有时钟脉冲,包括应答的第九个时钟脉冲。
在应答时钟脉冲期间,发送方释放 SDA 线,以便接收方可以将 SDA 线拉低,并且在该时钟脉冲的高电平期间保持稳定的低电平。
当 SDA 在第九个时钟脉冲期间保持高电平时,这被定义为非应答信号。然后主机可以生成停止条件以中止传输,或生成重复起始条件以开始新的传输。
从机地址和 R/W 位
数据传输遵循以下格式。在起始条件(S)之后,发送从机地址。该地址为 7 位长,后跟第八位,即数据方向位(R/W)——“0” 表示传输(写),“1” 表示数据请求(读)。数据传输始终由主机生成的停止条件(P)终止。但是,如果主机仍希望在总线上通信,它可以生成重复起始条件(Sr)并寻址另一个从机,而无需先生成停止条件。
单次读和写
单次写:主机向从机发送从机地址(带 ACK)、寄存器地址(带 ACK)和数据(带 ACK),最后以停止条件结束。
单次读:主机向从机发送从机地址(带 ACK)和寄存器地址(带 ACK),然后重新发送从机地址(带 ACK,R/W=1),从机返回数据(带 ACK),主机以 NACK 和停止条件结束。如果寄存器地址未定义,充电器 IC 会返回 NACK 并返回空闲状态。
多次读和写
IC 支持连续寄存器的多次读和写操作:
多次写:主机发送从机地址(带 ACK)、起始寄存器地址(带 ACK)和连续数据(每个字节带 ACK),最后以停止条件结束。
多次读:主机发送从机地址(带 ACK)、起始寄存器地址(带 ACK),重新发送从机地址(带 ACK,R/W=1),从机返回连续数据(每个字节带 ACK),主机对最后一个字节返回 NACK 并以停止条件结束。
中断
当 DM_L/AC_OK/VBUS_SHORT/OTP/EOC 置 1 或清 0 时,IC 在 INT 引脚发送中断脉冲通知 MCU;但当仅 INDET2/INDET1 置 1 时,IC 发送中断脉冲。具体触发机制如下:
状态信号 | 中断触发机制 |
---|---|
DM_L | 上升沿或下降沿触发 1ms 脉冲 INT |
AC_OK | 上升沿或下降沿触发 1ms 脉冲 INT |
INDET2 | 仅上升沿触发 1ms 脉冲 INT |
INDET1 | 仅上升沿触发 1ms 脉冲 INT |
VBUS_SHORT | 逻辑高触发连续 INT |
OTP | 上升沿或下降沿触发 1ms 脉冲 INT |
EOC | 上升沿或下降沿触发 1ms 脉冲 INT |
INT 引脚的中断脉冲宽度为 1ms。
INDET 位是读清除类型,除 INDET 外,状态寄存器中的所有其他位代表实时状态。用户可以通过设置屏蔽寄存器中的对应位来屏蔽任何位的中断输出。当屏蔽位置 1 时,相应的状态位仍会置 1,但 IC 不会在 INT 引脚发送中断。
器件选型
电容选择
IC 的开关频率在 150kHz~450kHz 范围内。由于 MLCC 陶瓷电容具有良好的高频滤波性能和低 ESR,建议使用容量超过 60μF、电压额定值高于工作电压并留有裕量的 X5R 或 X7R 电容。例如,如果最高工作 Vin/Vout 电压为 12V,至少选择 16V 电容,为确保足够裕量,推荐 25V 额定电压的电容。
输入和输出可以使用高电容聚合物电容或钽电容,但电容电压额定值必须高于最高工作电压并留有足够裕量。这些电容的高频特性不如陶瓷电容,因此应至少并联 10μF 陶瓷电容以减少高频纹波。
电感选择
为保证环路稳定性,推荐使用 2.2μH 或 3.3μH 电感。放电模式下的电感峰值电流可按下式计算:
其中,IBAT 是 VBAT 侧的电池电流,可计算为:
η 为功率转换效率,计算时可取 90%。
充电模式下的电感峰值电流计算为:
其中,IBAT 是 VBAT 侧的电池充电电流,可计算为:
选择电感时,电感饱和电流必须高于电感峰值电流并留有足够裕量(推荐 20% 裕量),电感的额定电流必须高于电池电流。
电感的直流电阻值(DCR)影响开关稳压器的传导损耗,因此高功率应用中推荐低 DCR 电感。电感的传导损耗可粗略计算为:
IL 为电感电流的平均值,等于 IBAT 或 IBUS。
除直流功率损耗外,还有电感的交流绕组损耗和磁芯损耗,这与电感峰值电流有关。通常,峰值电流越高,交流损耗和磁芯损耗越大。用户可咨询电感供应商,选择高频下 ESR 小、磁芯损耗小的电感。
电流检测电阻
RSNS1 和 RSNS2 是电流检测电阻。RSNS1 应使用 10mΩ 来检测 IBUS 电流,RSNS2 可使用 5mΩ 或 10mΩ 来检测 IBAT 电流(10mΩ 支持更高的电池电流限制精度,5mΩ 支持更高效率)。推荐使用精度 1% 或更高、温度系数低的电阻。
需考虑电阻的功率额定值和温度系数。功率耗散大致计算为P=I*I*R,其中 I 是流过电阻的最高电流,电阻功率额定值应高于计算值。
通常,温度升高时电阻值会变化,变化量由温度系数决定。如果需要高电流限制精度,应尽可能选择温度系数低的电阻。
MOSFET 选择
IC 是控制器,需要两个外部功率 MOSFET 用于功率开关电路。
VDS:MOSFET 的 VDS 应高于最高工作电压并留有足够裕量(推荐高出 10V 以上)。例如,最高工作电压为 20V 时,至少选择 30V 额定 VDS 的 MOSFET;最高工作电压为 24V 时,应选择 40V VDS 额定值。
VGS:MOSFET 的 VGS 电压额定值应选择高于 8V。考虑到工作时 PCB 寄生参数的影响,由于瞬态过冲,MOSFET 的 VGS 电压可能高于 VDRV 电压,因此推荐 10V VGS 以确保足够裕量。
ID:MOSFET 的电流 ID 应高于最高电池电流并留有足够裕量。
功率耗散:为确保在较高温度环境下有足够的电流能力,应考虑TA=70°C或TC=100°C时的电流额定值,同时也应考虑功率耗散值PD,应用中PD越高越好,确保 MOSFET 功耗不超过PD值。
RDS (ON) 和 CISS:MOSFET 的 RDS (ON) 和输入电容 CISS 直接影响功率效率。通常,低 RDS (ON) 的 MOSFET 具有较高的 CISS。RDS (ON) 与传导损耗相关,RDS (ON) 越高,传导损耗越高,效率越低,热耗散越大;CISS 与 MOSFET 的开关时间相关,开关时间越长,开关损耗越高,效率越低。应基于 RDS (ON) 和 CISS 的权衡选择合适的 MOSFET。
死区时间:如果选择高 CISS 的 MOSFET,开关时间变长,应调整死区时间,避免高侧和低侧 MOSFET 同时导通。
驱动电阻和 SW 缓冲电路
为调试 EMI 时调整 MOSFET 开关时间和开关过冲,建议在栅极驱动信号(HD 到 MOS、LD 到 MOS)上添加串联电阻(0603 尺寸),并在 SW 处添加 RC 缓冲电路(0603 尺寸)。
驱动电阻应放置在靠近功率 MOSFET 的位置。首先使用 0Ω 电阻;如果开关过冲较大,增加电阻值以减慢开关速度,建议电阻值保持 < 10Ω。当开关速度变慢时,默认死区时间可能不足以避免功率 MOSFET 过冲,因此如果需要高于 10Ω 的电阻,必要时应增加死区时间。
SW 节点的 RC 缓冲电路也有助于吸收 SW 节点的高频尖峰,从而改善 EMC 性能。用户一开始可以将 RC 元件留空,必要时调整值以改善 EMC 性能。通常,缓冲器可尝试 2.2Ω 和 1nF。如果需要进一步改善 EMC,可减小电阻值(如 1Ω 或更低)并增大电容值(如 2.2nF 或更高)。
布局指南
电容布局:连接在 VBUS/VBAT/VCC/VDRV 引脚上的电容应放置在靠近 IC 的位置,其接地连接到接地引脚的路径应尽可能短。
示例:将四个电容靠近 IC 放置在底层,通过过孔连接到各引脚,并通过接地敷铜连接到接地引脚。
电流检测电阻和 MOSFET 布局:IBUS 电流检测电阻、MOSFET 和 VBUS 侧的大容量电容应尽可能靠近放置,低侧 MOSFET 和大容量电容应非常靠近 PGND 引脚。在电流检测电阻和高侧 MOS 之间,添加一个 100nF 0402 电容到 PGND,这有助于抑制高频噪声,应非常靠近 MOS 和 PGND 引脚放置。
示例:将所有这些元件作为一组放置在顶层,VBUS 和 PGND 的功率路径应尽可能宽。低侧 MOS、100nF 电容和连接到 PGND 引脚的大容量电容通过顶层和底层的接地敷铜连接。
驱动信号布局:驱动信号(LD/HD/SW)应使用宽迹线(≥15mil)布线。驱动电阻应放置在靠近 MOS 的位置。HD 和 SW 应平行布线,彼此靠近;LD 应与 PGND 迹线(≥15mil)平行布线或靠近 PGND 敷铜。LD 与 HD 之间以及 LD 与 SW 之间应留有宽的 PGND 填充空间,以避免干扰。
电流检测迹线布局:电流检测迹线应采用开尔文检测方式连接到电流检测电阻的焊盘,并行布线(差分布线),电流检测滤波器应放置在靠近 IC 的位置。
示例:迹线并行布线,通过过孔连接到电流检测电阻的焊盘,滤波器元件放置在靠近 IC 的位置。
FB 和 COMP 布局:FB 电阻分压器和 COMP 引脚元件应放置在靠近 IC 的位置,并连接到 AGND(模拟地)引脚,然后在 IC 下方的 PGND 焊盘处连接 AGND 引脚和 PGND。
示例:FB 和 COMP 相关元件靠近 IC 放置,通过短迹线连接到 AGND 和 PGND。