隨著USB Type-C接口與USB PD （Power Delivery）技術(shù)在個人電子設(shè)備領(lǐng)域的普及，USB Type-C接口已成為筆記本電腦的主流充電接口，而電池充電器芯片在電池充電應(yīng)用中又發(fā)揮了至關(guān)重要的作用。本文從USB Type-C概念出發(fā)，先了解其電力傳輸連接；然后結(jié)合圣邦微電子推出的SGM41570系列升降壓NVDC電池充電器芯片，重點闡述筆記本電腦充電應(yīng)用外圍電路設(shè)計，并對系統(tǒng)滿載時的損耗進行評估，最終將損耗占比繪制為圓餅圖。方便設(shè)計者根據(jù)各個損耗的占比大小，直觀的評估設(shè)計損耗是否滿足要求，進而優(yōu)化設(shè)計。

01USB Type-C概述

USB Type-C是一種革命性的接口技術(shù)，它憑借其纖薄的設(shè)計、正反可插的便利性，以及強大的數(shù)據(jù)傳輸和電力供應(yīng)能力，徹底改變了筆記本電腦和其他數(shù)字設(shè)備的連接方式。在筆記本電腦應(yīng)用中，USB Type-C不僅簡化了接口規(guī)范，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)線的統(tǒng)一，還通過集成USB PD技術(shù)，支持高達240W[1]的電力傳輸，從而能夠快速、高效地為筆記本電池充電。這不僅大幅縮短了充電時間，還使得筆記本電腦能夠在更廣泛的場景下，僅需一根輕便的Type-C線纜就能同時滿足充電、數(shù)據(jù)傳輸乃至視頻輸出的需求，極大提升了用戶的移動性和使用體驗。此外，Type-C接口的雙向充電功能，意味著筆記本電腦在必要時也能充當(dāng)其他設(shè)備的電源，增加了使用的靈活性和實用性。

典型的USB Type-C電力傳輸連接[2]如圖1所示，其主要包含三大組件：USB PD控制器、電池充電器、電池計量芯片?？驁D中的各個組件通過復(fù)雜的邏輯和控制策略協(xié)同工作，實現(xiàn)電力的高效、安全傳輸，以及數(shù)據(jù)傳輸。

圖1 USB Type-C電力傳輸連接1

1圖中VBUS對應(yīng)下文中的VIN，VSYS對應(yīng)VOUT。

02SGM41570系列簡介

SGM41570系列產(chǎn)品包含支持SMBus接口的SGM41570[3]和支持I2C接口的SGM41573[4]兩顆芯片，是一款功能強大的同步升降壓型鋰電池充電控制器，特別為需要高效充電及電源路徑管理的應(yīng)用設(shè)備而設(shè)計，如筆記本電腦和掃地機器人等。它支持1節(jié)至4節(jié)鋰電池的充電，并集成了多種先進的功能以滿足多樣化的充電需求。

首先，SGM41570具有廣泛的輸入源兼容性，能夠靈活處理來自傳統(tǒng)適配器、USB適配器以及高壓USB PD源的輸入?；谳斎朐春碗姵氐膶嶋H狀態(tài)，該控制器在上電過程中能夠自動切換為降壓、升壓或升降壓模式，無需主機控制干預(yù)，從而確保充電過程的高效和安全。

其次，SGM41570具備窄電壓直流充電（NVDC）路徑管理功能，以及動態(tài)功率管理（DPM）功能，這些功能使得電源分配更加優(yōu)化，充電效率更高。此外，該芯片還支持USB OTG（On-The-Go）模式，這意味著在需要時，它可以給外設(shè)供電，進一步擴展了應(yīng)用場景。

當(dāng)USB OTG端口沒有外部負(fù)載時，SGM41570支持VMIN主動保護（VAP）功能，在系統(tǒng)功率較大時，避免系統(tǒng)電壓跌落。同時，該芯片能夠監(jiān)控適配器電流、電池電流和系統(tǒng)功率，并在系統(tǒng)功率超出適配器和電池的可用功率時，發(fā)出一個靈活編程的nPROCHOT脈沖，通知CPU進行節(jié)流操作，以避免設(shè)備過載和損壞。

綜上所述，SGM41570是一款集高效率充電、智能電源路徑管理、廣泛輸入源兼容性和豐富保護功能于一體的鋰電池充電控制器，為各種需要鋰電池充電的應(yīng)用設(shè)備提供了理想的解決方案。

圖2 典型應(yīng)用設(shè)計原理圖

03筆記本電腦應(yīng)用設(shè)計

在筆記本電腦應(yīng)用設(shè)計中，升降壓充電芯片能夠為電腦提供更靈活的電源適配能力和更高效的電源管理。本節(jié)采用SGM41570降壓-升壓電池充電控制器，基于最高20V適配器電壓，4節(jié)電池，100W系統(tǒng)峰值功耗的筆記本電腦應(yīng)用進行設(shè)計。該參考設(shè)計在100W系統(tǒng)功率下具有高達96.7%的峰值效率。

3.1 設(shè)計要求

3.2 電池設(shè)置

芯片內(nèi)部LDO激活后，通過CELL_BATPRESZ引腳偏置電壓來檢查電池節(jié)數(shù)配置。當(dāng)為四節(jié)電池配置時，CELL_BATPRESZ引腳可以通過10kΩ電阻上拉至VDDA。有關(guān)電池設(shè)置閾值，請參考SGM41570規(guī)格書[3]。

3.3 外部限流設(shè)置

將ILIM_HIZ引腳通過電阻分壓連接到REGN與GND之間，可使用以下公式設(shè)置目標(biāo)輸入電流限值IDPM：

根據(jù)設(shè)計要求，最大輸出功率為100W，額定輸入電壓條件下，對應(yīng)輸入電流為5A。按照1.2倍輸入電流，6A作為輸入電流限制。選擇10mΩ采樣電阻，根據(jù)公式可以計算出VILIM_HIZ為3.4V。按照5.6V REGN進行計算，選擇上分壓電阻63.9kΩ和下分壓電阻100kΩ。

3.4 輸入濾波器設(shè)計

SGM41570采用平均電流控制模式，通過ACP與ACN之間的差分電壓對輸入電流進行檢測，再根據(jù)輸入電流對電感電流信息進行還原。然而，芯片布局產(chǎn)生的寄生電感會在ACP與ACN之間產(chǎn)生高頻振鈴，導(dǎo)致電感電流采樣失真，進而影響平均電流控制環(huán)路，甚至出現(xiàn)輸出震蕩現(xiàn)象。此外，輸入電流采樣失真還會導(dǎo)致IINDPM環(huán)路，IIN_ADC的精度變差。有關(guān)IINDPM與IIN_ADC的功能描述，請參考SGM41570規(guī)格書[3]。

對于實際應(yīng)用設(shè)計，建議使用圖3中RC濾波電路對PCB寄生參數(shù)導(dǎo)致的高頻噪聲進行濾除。設(shè)計RC濾波器時間常數(shù)介于47ns至200ns，可以有效地濾除輸出電流采樣中的高頻噪聲。不建議將RC濾波時間常數(shù)設(shè)置太大，否則當(dāng)系統(tǒng)處于正向Buck模式，輸入電流為斷續(xù)狀態(tài)，輸入電流采樣出現(xiàn)失真會導(dǎo)致芯片無法準(zhǔn)確還原出電感電流信息。

圖3 ACN-ACP輸入濾波器

3.5 電感選型

SGM41570有兩種開關(guān)頻率可供選擇，800kHz與1200kHz。開關(guān)頻率越高，允許使用的電感感值、輸入與輸出電容容值越小，但功率管開關(guān)損耗也會隨之增大。本設(shè)計按照800kHz默認(rèn)開關(guān)頻率進行計算，下文公式中的參數(shù)符號含義及數(shù)值請參考附錄。選擇電感飽和電流ISAT應(yīng)大于最大輸出電流IOUT_MAX加上電感電流紋波IRIPPLE的一半：

當(dāng)處于Buck CCM模式（D = VOUT/ VIN），電感電流紋波IRIPPLE公式如下：

根據(jù)上述公式可知，D為0.5時取得最大電感電流紋波，當(dāng)D大于0.5，保持輸入電壓不變，隨著輸出電壓增大，紋波逐漸減小。根據(jù)設(shè)計要求范圍，當(dāng)輸入電壓為20V，輸出電壓12.3V時，對應(yīng)最大電感電流紋波。

通常，電感紋波設(shè)計在20%~40%的最大輸出電流之間。取紋波系數(shù)KIND為30%，根據(jù)如下公式可以得到設(shè)計電感值：

選擇2.2μH標(biāo)稱電感值，飽和電流大于9.3A的電感。Wurth 74437356022這款電感滿足設(shè)計需求，IR= 8.5A，ISAT,10%= 10A，DCR = 13.6mΩ。

3.6 輸入電容選擇

選擇合適的輸入電容，對吸收輸入開關(guān)電流紋波，減小輸入電壓紋波至關(guān)重要。根據(jù)公式（5）可以計算流經(jīng)輸入電容電流的有效值，根據(jù)公式（6）可計算輸入電容上產(chǎn)生的紋波電壓：

通常X7R或X5R陶瓷電容是輸入去耦電容的首選，在輸入采樣電阻RAC與功率管Q1之間放置10nF + 1nF的電容組合，可以有效濾除功率管開關(guān)瞬間產(chǎn)生的高頻振鈴電壓。

根據(jù)設(shè)計要求范圍，選擇20V輸入電壓，15.2V輸出電壓作為典型應(yīng)用計算參數(shù)，后續(xù)將基于此條件進行設(shè)計。按照1%輸入電壓紋波系數(shù)帶入公式（6）進行計算，得到最小輸入電容容值約為7.5μF?？紤]陶瓷電容直流偏置效應(yīng)，選擇6顆25V 10μF 0805封裝陶瓷電容以獲得所需的有效電容值，具體陶瓷電容直流偏置降額曲線，請參考對應(yīng)制造商規(guī)格書。為了減小極端條件下，如溫度變化和輸入電壓波動對輸入有效容值的影響，推薦增加一顆25V至35V耐壓，容值10μF的鉭電容（POSCAP）。

3.7 輸出電容選擇

選擇合適的輸出電容，對吸收電感電流紋波、減小穩(wěn)態(tài)以及負(fù)載瞬態(tài)時輸出電壓的紋波及系統(tǒng)的穩(wěn)定性至關(guān)重要。根據(jù)公式（7）可以計算流經(jīng)輸出電容電流的有效值，根據(jù)公式（8）可以計算輸出電容上產(chǎn)生的紋波電壓：

此外，公式（9）可用于計算最小輸出電容，在控制環(huán)路響應(yīng)負(fù)載變化之前，電容至少提供兩個開關(guān)周期的電流階躍（ΔIOUT）的能量，并且允許的最大輸出瞬態(tài)電壓變化為ΔVOUT（過沖或下沖）。

按照10% ~ 100%的負(fù)載瞬態(tài)，最大5%的瞬態(tài)電壓變化，綜合考慮上述條件，計算得到最小輸出電容容值約為19.5μF?？紤]陶瓷電容直流偏置效應(yīng)，選擇7顆25V 10μF 0805封裝陶瓷電容以獲得所需的有效電容值。同樣為了減小極端條件下，如溫度變化和輸入電壓波動對輸出有效容值的影響，推薦增加兩顆25V至35V耐壓，容值33μF的鉭電容。

3.8 功率MOSFET選擇

SGM41570是功率MOSFET外置的升降壓型充電管理控制器，需要四個N溝道MOSFET。內(nèi)部柵極驅(qū)動器提供5.6V的驅(qū)動電壓。選擇額定電壓為30V或更高的MOSFET，以滿足20V的輸入電壓需求。

電感電流峰值在3.5小節(jié)中已有計算，實際選擇MOSFET的持續(xù)漏極電流應(yīng)考慮2倍以上的裕量，ID應(yīng)大于18.6A。

為了在導(dǎo)通損耗和開關(guān)損耗之間進行權(quán)衡，常用的參數(shù)是MOSFET的品質(zhì)因數(shù)（FOM）[5]。根據(jù)公式（10）可以計算FOM，其中RDS(ON)為導(dǎo)通電阻，QGD為柵漏極電荷。FOM值越低，MOSFET總的損耗就越小。

一般來說，對于某個產(chǎn)商的同一系列MOSFET，F(xiàn)OM值變化不大。在選定某個系列的MOSFET后，應(yīng)綜合考慮導(dǎo)通損耗、開關(guān)損耗以及成本等因素，選出合適的MOSFET。本設(shè)計中選擇SGMNQ70430這款N溝道MOSFET作為4個主功率管，其額定電壓為30V，持續(xù)漏極電流為46A。

04損耗計算

上一章對外圍電路進行了設(shè)計，本章將基于此設(shè)計對系統(tǒng)滿載時的損耗進行計算評估。（20V典型輸入電壓，15.2V典型輸出電壓，100W系統(tǒng)輸出功率，800kHz開關(guān)頻率），最終將損耗占比繪制為圓餅圖。設(shè)計者根據(jù)圓餅圖可以清晰的得出各個損耗之間的占比大小，從而評估設(shè)計損耗是否滿足要求，以及哪些部分有提升的空間，進而優(yōu)化設(shè)計。

4.1 MOSFET損耗

本應(yīng)用中，轉(zhuǎn)換器主要工作于同步Buck模式，MOSFET相關(guān)功率損耗主要由導(dǎo)通損耗和開關(guān)損耗組成。導(dǎo)通損耗是高側(cè)Q1管和低側(cè)Q2管導(dǎo)通損耗的總和，這部分損耗與開關(guān)頻率無關(guān)。開關(guān)損耗則包括Q1開關(guān)損耗、Q2開關(guān)損耗、柵極驅(qū)動損耗、Q2體二極管損耗、反向恢復(fù)損耗以及MOSFET的輸出電容損耗[6]。

4.1.1 導(dǎo)通損耗

導(dǎo)通損耗由MOSFET的導(dǎo)通電阻和流過電流有效值決定?？梢酝ㄟ^以下公式進行計算：

綜合上述公式，計算得到Q1導(dǎo)通損耗為0.234W，Q2導(dǎo)通損耗為0.065W。

4.1.2 開關(guān)損耗

1. 交疊損耗

MOSFET在開關(guān)的過程中，導(dǎo)通和關(guān)斷都需要一定的時間。在過渡期間，Q1管同時承受了較高的電壓和電流，從而引發(fā)開關(guān)損耗。下圖顯示了Q1開啟階段柵源電壓VGS、漏源電壓VDS以及漏極電流ID波形。

圖4 Q1管開啟階段的電壓和電流波形

MOSFET導(dǎo)通時間計算公式如下：

其中，驅(qū)動電流按照以下公式進行估算[7]：

其中，MOSFET關(guān)斷時間計算與導(dǎo)通時間計算過程相似，關(guān)斷時驅(qū)動電流計算公式如下：

根據(jù)上述公式可估算出tON= 10.4ns，tOFF= 6.8ns。建議選擇MOSFET導(dǎo)通時間小于20ns，以減小開關(guān)損耗占比。通常，建議選擇CISS小于1000pF的MOSFET。

MOSFET導(dǎo)通與關(guān)斷損耗計算公式如下：

計算得出MOSFET在導(dǎo)通階段交疊損耗為0.463W，關(guān)斷階段交疊損耗為0.415W。

2. 驅(qū)動損耗

MOSFET柵極驅(qū)動損耗計算如下：

下管導(dǎo)通過程由于體二極管續(xù)流，VDS電壓已接近0V，所以無需考慮米勒電容影響；此外計算損耗的電壓是VOUT而非VREGN，因為芯片此時工作于Buck模式，所以VREGN電壓由VOUT電壓通過LDO生成，按照VOUT電壓計算能夠包含驅(qū)動過程LDO的損耗。不建議增加驅(qū)動電阻以減慢驅(qū)動速度，可以適當(dāng)增加?xùn)旁礃O電容、自舉電容側(cè)串聯(lián)電阻或者增加RC snubber以減慢MOSFET開關(guān)速度。根據(jù)上述公式可以計算功率管Q1與Q2總的驅(qū)動損耗為0.146W。

3. 死區(qū)損耗

為了防止Q1和Q2同時導(dǎo)通將VIN短路，轉(zhuǎn)換器加入了兩個短暫的死區(qū)時間：Q2關(guān)斷與Q1導(dǎo)通之間的上升沿死區(qū)時間，以及Q1關(guān)斷與Q2導(dǎo)通之間的下降沿死區(qū)時間。在這兩個死區(qū)時間間隔內(nèi)，Q1和Q2都處于關(guān)閉狀態(tài)，Q2的體二極管導(dǎo)通續(xù)流。此時會引入死區(qū)損耗（即體二極管導(dǎo)通損耗）和體二極管反向恢復(fù)損耗。死區(qū)損耗計算公式如下：

計算得到死區(qū)損耗為0.169W。

4. 體二極管反向恢復(fù)損耗

體二極管反向恢復(fù)損耗計算公式如下[8]：

計算得到體二極管反向恢復(fù)損耗為0.144W。

5. 輸出電容損耗

與MOSFET相關(guān)的另一個功率損耗是輸出電容損耗，這由輸出電容COSS的充電和放電引起。其計算公式如下：

若MOSFET規(guī)格書未給出QOSS參數(shù)，可以根據(jù)規(guī)格書中提供的COSS隨VDS變化曲線，擬合為函數(shù)后進行計算：

由于SGMNQ70430這款MOSFET規(guī)格書未給出QOSS參數(shù)，故通過函數(shù)擬合方法進行計算，總的輸出電容損耗為0.185W。

4.2 電感損耗

電感損耗主要包括線圈損耗和磁芯損耗兩大類。線圈損耗主要由直流電阻（DCR）和交流電阻（ACR）組成，而磁芯損耗則包括磁滯損耗、渦流損耗和剩余損耗。對于絕大多數(shù)電感廠商，所提供的規(guī)格書參數(shù)是無法完整計算出電感損耗的。少部分電感廠商會提供相應(yīng)的損耗計算工具，幫助開發(fā)者對電感損耗進行估計。例如，Wurth官網(wǎng)有74437356022這款電感的損耗計算工具，在填入電感電流對應(yīng)參數(shù)后，可以生成交流損耗和直流損耗兩部分，其中交流損耗結(jié)果可以直接參考，直流損耗則通過以下公式進行計算[9]：

電感直流損耗為0.592W，交流損耗參考官網(wǎng)計算結(jié)果為0.136W，總的電感損耗為0.728W。

4.3 IC靜態(tài)損耗

對于SGM41570控制IC，其本身也存在靜態(tài)功耗，可以通過公式（30）進行估算，得到IC靜態(tài)功耗為0.038W。

4.4 其他損耗

SGM41570是升降壓型控制器，當(dāng)系統(tǒng)工作于Buck模式時，Q3處于常開狀態(tài)，其導(dǎo)通電阻會產(chǎn)生相應(yīng)的導(dǎo)通損耗。輸入電流流經(jīng)10mΩ采樣電阻RAC也會對應(yīng)產(chǎn)生損耗，計算公式分別如下：

Q3導(dǎo)通損耗為0.307W，采樣電阻RAC損耗為0.334W。

4.5 總結(jié)

根據(jù)本小節(jié)中損耗計算結(jié)果，將其匯總至下表：

根據(jù)損耗計算結(jié)果及以下效率公式，能夠計算出本設(shè)計系統(tǒng)效率為96.88%。

需注意，整個計算過程均為25℃時的參數(shù)，未考慮系統(tǒng)溫升影響。實際對于功率MOSFET導(dǎo)通電阻，以及功率電感的DCR等都會隨著溫度的升高發(fā)生明顯變化。如需更加準(zhǔn)確的估算，可以考慮溫升影響，對結(jié)果進行迭代。

根據(jù)損耗表格的結(jié)果，可以得到Q1和Q2總損耗為1.82W，平均一顆MOSFET的損耗為0.91W?？紤]MOSFET熱阻，可以粗略估算出MOSFET溫升：

根據(jù)上述公式計算得到MOSFET溫升為41.8℃。MOSFET的規(guī)格書中一般會提供導(dǎo)通電阻RDS(ON)隨溫度變化曲線，按照溫升信息查找即可獲得對應(yīng)溫度下的RDS(ON)，電感DCR同樣可以通過類似方式獲得。將得到的數(shù)據(jù)重新帶入損耗公式中進行計算，得到如下結(jié)果：

根據(jù)溫度矯正后的損耗計算結(jié)果，計算出20V適配器電壓，4節(jié)電池，100W功耗系統(tǒng)效率為96.68%。

為驗證計算結(jié)果準(zhǔn)確性，按照參考設(shè)計外圍電路在SGM41570 DEMO板上進行效率測試[10]：

根據(jù)上述數(shù)據(jù)，估算效率與實測效率僅相差0.08%，屬于合理誤差范圍。為更加清晰直觀的獲得各部分損耗之間的占比關(guān)系，繪制各部分損耗餅圖如下圖所示：

圖5 各部分損耗餅圖

參考資料

[1] USB 3.0 Promoter Group. Universal Serial Bus Power Delivery Specification [S]. (2022-01).

[2] Texas Instruments Incorporated. Combining Buck-Boost Battery Chargers and USB Type-C Power Delivery for Maximum Power Density [EB/OL]. (2022-05). https://www.ti.com/lit/pdf/SLYY195.

[3] SG Micro Corp. SGM41570 Datasheet [EB/OL]. (2024-04). https://www.sg-micro.com/rect/assets/44ca3412-b7c1-43b8-826b-9dcee8c0b374/SGM41570.pdf

[4] SG Micro Corp. SGM41573 Datasheet [EB/OL]. (2024-04). https://www.sg-micro.com/rect/assets/c877796f-7bf0-4585-87c3-eaa4e6380787/SGM41573.pdf

[5] Utkarsh Jadli, Faisal Mohd-Yasin, Hamid Amini Moghadam, Peyush Pande, Mayank Chaturvedi, Sima Dimitrijev. A Method for Selection of Power MOSFETs to Minimize Power Dissipation [J/OL]. Electronics, 2021, 10, 2150. https://doi.org/10.3390/electronics10172150.

[6] Texas Instruments Incorporated. Power Loss Calculation With Common Source Inductance Consideration for Synchronous Buck Converters [EB/OL]. https://www.ti.com.cn/cn/lit/pdf/slpa009.

[7] The University of Texas at Dallas. Electronic Devices Laboratory Manual [S]. (2013-01).

[8] STMicroelectronics. Calculation of turn-off power losses generated by an ultrafast diode [EB/OL]. (2017-10). https://www.st.com/content/ccc/resource/technical/document/application_note/group0/2b/f3/cc/22/81/d3/4d/89/DM00380483/files/DM00380483.pdf/jcr:content/translations/en.DM00380483.pdf.

[9] Würth Elektronik eiSos GmbH & Co. KG. Accurate Inductor Loss Determination Using Würth Elektronik’s REDEXPERT [EB/OL]. (2015-06). https://www.we-online.com/catalog/media/o109035v410%20AppNotes_ANP029_AccurateInductorLossDeterminationUsingRedExpert_EN.pdf.

[10] SG Micro Corp. SGM41570 Demo Board Test Report [EB/OL]. https://www.sg-micro.com/evm-detail/EVKIT-SGM41570.

附錄

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