作者：田懷山、成紅玉、徐林

摘要

如今便攜式電子產品市場發展迅速，消費者對電池充電器的要求也逐漸嚴苛。這就需要設計工 程師尋找解決方案以最大限度地利用電池容量，改善電池壽命，簡化充電操作等。在設計可靠的電 池充電系統時，了解電池的充電特性以及應用需求是至關重要的。本應用指南主要以SGM41566為例介紹線性可調充電器芯片的典型應用電路設計，以及電池充電過程中本器件的幾項特殊功能，以 便于用戶靈活設計應用。

1 產品概述

電池充電芯片是負責充電管理的關鍵部件之一。充電器芯片的主要功能是監測和控制電池的充 電狀態，在電池電量不足時提供合適的電流和電壓進行充電，在充滿時停止充電，防止過充過放。 電池充電器芯片除了具有充電管理功能外，還可以提供過壓保護、過流保護、過熱保護等安全保障 功能，確保充電的安全可靠。因此，電池充電器芯片被廣泛應用于移動電源、智能可穿戴設備、汽 車電子、消費電子等領域。本應用指南主要介紹 SGMICRO 的 SGM41566 線性充電解決方案。

SGM41566 是一款具有輸入條件檢查功能的恒壓恒流型充電芯片，支持無線充、太陽能電池、 PFC 饅頭波電源等較弱能力的松耦合電源充電，具備在復雜環境中充電的能力，易用且便捷。該芯 片具有輸入鉗位、輸出鉗位、溫度調節、NTC 控溫保護、浮充保護等功能，非常適合低容量可充電 電池供電的應用。

SGM41566 具有完整的預充電、恒流充電、恒壓充電流程，各階段充電電流均可選擇。恒流充 電電流 I_CHG 在 50mA 至 750mA 范圍內 50mA 步進可選；預充電電流和滿充截止電流在（5% × I_CHG） 至（25% × I_CHG）范圍內（5% × I_CHG）步進可選，且具有無預充功能（No pre-charge）選項來滿足部 分電池低壓階段的大電流充電需求。滿充電壓在 3.5V 至 4.8V 范圍內 25mV 步進可選，可方便的適 用于磷酸鐵鋰電池、錳鋅電池、鋰離子電池、3 節/4 節鎳氫電池的電子設備。

2 電路設計

圖 1 展示了 SGM41566 的典型應用電路。

2.1 充電輸入

IN 為充電電源輸入引腳，為設備供電并饋送到充電輸出。推薦使用有效電容在 0.1μF ~ 12μF 之 間的電容。為了解耦，應將其靠近該引腳處放置。

2.2 溫度監控和使能輸入

TSEN為溫度監控和使能輸入引腳。一個接地的NTC熱敏電阻連接到TSEN引腳用于溫度檢測。 只有溫度在合適的范圍內才允許充電。

檢查該引腳的外部連接，一旦電源輸入電壓在有效范圍內，芯片輸出 38.6μA 電流。如果引腳電 壓小于 VENL（102mV），則視為接地，同時當輸出電流減小到 25.5μA 時，充電功能被關閉。如果引 腳電壓高于 VENH（2.68V），則開啟充電功能。

當連接 NTC 熱敏電阻，引腳電壓在 V_ENL和 V_ENH之間時，根據電阻阻值變化可以判斷電池溫度， 從而實現安全充電。在這種情況下，只有當引腳電壓在熱閾值電阻相關電壓 V_HOT到冷閾值相關電壓 V_COLD 的范圍內時，才允許充電。若阻值變化使引腳電壓在 V_COLD 和 V_ENH之間時，則認為處于過冷 狀態或 NTC 連接斷開，停止充電。若阻值變化使引腳電壓在 V_HOT和 V_ENL之間時，則認為處于過熱 狀態，充電功能失效。

2.3 充電輸出

BAT 引腳輸出到電池和/或系統負載，為電池充電和/或供電給系統負載。推薦使用有效電容在 1μF ~ 12μF 范圍內的輸出電容。當引腳電壓略高于充電電壓時，漏電約 4μA；當引腳電壓高于輸出 鉗位電壓（104% × VCHG）時，主動放電約 1.5mA，實現過壓保護。

3 充電循環

SGM41566 是一款非常先進的線性電池充電器芯片。SGM41566 各充電階段的充電電流均可方 便選擇，因此具有很大的設計靈活性。

3.1 充電過程

圖 2 展示了本芯片不帶激活充電功能的充電曲線。

3.2 預充電（Pre-Charge）

預充電（Pre-Charge）用來先對完全放電的電池單元進行預充（恢復性充電）。在電池電壓 VBAT 低于預充電閾值（65% × V_CHG）左右時采用預充電。預充電電流 IPRE約為恒流充電電流 ICHG 的 5% 到 25%步進可選。

預充電安全時間

為避免進一步損壞電池或系統負載，如果 BAT 引腳電壓低于（65% × V_CHG）超過 tSAFE（94 分鐘）， 將停止充電。對于 50Hz 整流輸入電壓波形，當輸入電壓低于 V_UVLOf時，SGM41566 沒有此保護 功能。“無預充電”選項的芯片不支持此保護功能

3.3 恒流充電（CC Charge）

當電池電壓 V_BAT上升到預充電閾值（65% × V_CHG）以上時，提高充電電流進行恒流充電。電池 電壓隨著恒流充電過程逐步升高。

3.4 恒壓充電（CV Charge）

當電池電壓上升到 V_CHG 時，恒流充電結束，開始恒壓充電階段。電流根據電芯的飽和程度，隨 著充電過程的繼續，充電電流由最大值慢慢減少。本芯片具有浮充（Floating Charge）超時保護功能， 當系統負載電流大于滿充截止電流時，并且電池電壓高于浮充電壓超過 t_FLT 時，芯片將停止充電， 進入充電結束回退保持狀態。當系統負載電流小于滿充截止電流時，仍維持 t_FLT/2 的浮充時間，來確 保電池可以被充滿。

3.5 回退保持（Fold-Back Retaining）

回退保持，即在電池充滿后的安全電壓回退功能。當確認充電結束時，它將輸出降低到安全電 壓 VFCHG（即 98% × VCHG），同時將電流限制保持在正常充電的水平，并保留對負載系統的功率。該設計避免了在充電電源一直連接的情況下頻繁放電和充電循環，對延長長期掛載設備的電池壽命有 極大的幫助。

3.6 激活充電（Active Charge）

除上述預充電、恒流充電、恒壓充電、回退保持階段外，SGM41566 還具有特殊設計的深度放電電池激活充電功能。當電池電壓低于深度放電激活檢測門限 VBAT_ACT 時，SGM41566 會以恒流充 電電流 ICHG 給電池充電 12.5ms，以快速激活電池，此后會自動進入預充電階段。帶激活充電功能的 充電曲線如圖 3 所示。

3.7 充電流程

圖 4 描述了該芯片從充電起始到完成，再到自動充電的整個流程算法。

4 充電波形

圖 5 描述了在 V_IN = 5V，V_TSEN = 0.4V，T_J = +25℃，V_BAT = 3V 條件下，采用 SGM41566 應用電 路（見圖 1）進行饅頭波充電的波形。輸入的交流電經過全橋整流電路之后變為饅頭波（50Hz，V_IN）。 由圖 5 可見，輸出電流（I_BAT）與輸入充電電壓（V_IN）同相位，這就有效提高了電路的功率因素。 因此，系統設計者可采用 SGM41566 實現 PFC 饅頭波電源充電。

5 結論

SGM41566 線性充電器，以體積小、外圍電路簡單、成本低廉及無開關噪聲等優點，在眾多對 PCB 布板面積要求較高、充電電流相對較小的便攜式電子設備中大量使用。其便捷易用的特性可以 縮短從設計到投入市場的時間。

為了在便攜式電子產品中使用最新的電池技術，更好的設計合適可靠的電池充電系統，您需了 解電池的充電特性以及應用要求。本應用指南介紹了一款獨立的線性可調充電器的充電解決方案。 開發任何電池充電系統時，用戶可根據自身需求進行參考應用于設計。

參考資料

[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] 解析鋰電池的充電的整個過程 [EB/OL]. (2019-07)