长引线穿戴设备快充难题与SGM41578 Buck-Boost 方案对策

作者：赖臻
通信作者：成红玉
校阅：陈红生 杨灵

摘要

近年来，穿戴类产品功能日益丰富，健康监测、独立通信、AI交互等功能的引入使整机功耗显著增加。在有限空间内兼顾更长续航与更快充电，已成为提升用户体验的关键诉求，并推动着从芯片、系统到电池材料等多层面的协同创新。然而，高压电池与2~3C快充的引入，在5V适配器输入及长引线结构下，给传统Buck Charger带来了限流与噪声问题。本文基于对该问题的机理分析，阐述了Buck Charger在此类应用中的架构局限性，并进一步介绍了采用Buck-Boost架构的SGM41578方案。

1 应用场景及长引线快充难点分析

续航始终是穿戴类产品设计中最核心的挑战之一。以运动手表为例，在开启全天候健康监测与GPS功能时，电量消耗显著，许多产品目前仍需“日充”才能满足日常使用需求。同样，蓝牙耳机、美容仪、便携音响等设备，也因增加显示屏、氛围灯等功能而引入了更大的系统功耗。为提升用户体验，如何在小体积约束下延长续航并缩短充电时间，已成为业界研究热点，驱动着芯片设计、系统优化到电池材料等各环节的全方位创新。

相较于传统4.2V、4.35V截止电压的锂电池，4.4V甚至4.45V高压锂电池通过提升充电截止电压，使电极材料能够储存更多锂离子，显著提高能量密度，从而使穿戴产品在小空间内实现更高电池容量^[1]。与此同时，硅负极电池技术的成熟，让2~3C快充逐渐成为现实^[2]。

然而，仅靠电池材料迭代，并不能在传统Buck Charger应用中实现全工况快充，甚至还可能引入可闻噪声。图1为颈挂蓝牙耳机充电通路的线路阻抗分析示意，基于此图分析其背后原因：高压电池在大电流充电场景下，穿戴产品内部从适配器接口到充电IC、再到电池的完整输入路径上存在不可忽略的阻抗，该阻抗产生的导通压降会触发Buck Charger的保护机制，导致充电电流提前降低或工作频率落入声频范围。

基于第2章的分析可知，传统Buck Charger架构无法从根源上解决穿戴产品长引线结构（输入路径阻抗）所引起的限流与噪声问题，尤其是当插入的5V±5%适配器输出电压接近公差下限4.75V时，充电电流的受限程度将更加显著。表1给出了不同型号Buck Charger在4.75V适配器输入、4.35V电池电压条件下，对应不同前端线路阻抗时，能够保证全程快充且不产生噪声的最大充电电流。由表1数据可见，随着线路阻抗的增大，可用的最大充电电流急剧下降；在典型穿戴设备走线阻抗条件下，多数Buck Charger已无法支持2C及以上快充。

为实现更大的快充电流，近年来工程师普遍采用提高Charger输入电压的方式来维持全程快充。最直接的方案是通过PD或快充诱导芯片将适配器电压升至9V，以避开低压差工作区；另一类方案则采用配套适配器加分立Boost+Buck Charger，利用前级 Boost将输入电压抬升后再供给Buck Charger。上述方案在功能上均可实现，但代价同样明显：需要配套适配器，适配器兼容性受限，且高压或双级变换引入额外功耗与散热问题，在紧凑的穿戴设备中尤为突出。

针对上述局限，本文第3章提出采用四管Buck-Boost架构的SGM41578方案，可根据输入与输出电压关系自适应切换Buck或Boost工作模式，在保证主流适配器兼容性的前提下，以单级变换的高效率解决穿戴设备快充的限流与噪声问题。

2 Buck Charger 限流与噪声机理分析

如第1章所述，Buck Charger在穿戴设备输入路径存在较高阻抗时的核心问题在于：输入侧线路阻抗导致芯片实际输入电压V_PMID与输出电压V_SYS过度接近，迫使芯片进入低压差工作区。为从根源上理解这一现象，本节先从Buck Charger的自举电路工作机制入手，逐步推导限流与噪声产生的条件。

2.1 自举电路工作原理

以Buck型单节电芯充电IC为例，其核心为内部Buck变换器。对于市面上通用的Charger IC，Buck 电路的High-Side FET驱动大多采用自举电容方案。图2以SGM415xx系列芯片为例，展示了其驱动电路及工作原理示意。其中，VBUS为芯片输入端，PMID为Buck电路的实际输入节点，SW为Buck开关节点；RBFET为防反MOS，HSFET为Buck上管，LSFET为Buck下管。其工作过程可分为两个模态，如图2 (b)和(c)所示。

1) 工作模态1：如图2 (b)所示，LSFET导通，VBUS通过REGN LDO和二极管D给自举电容C_BST充电，忽略二极管压降，则V_CBST可表示为式(1)，最终C_BST电压被充到V_REGN；

2) 工作模态2：如图2 (c)所示，LSFET关断。当上管驱动输出高时，由于C_BST电容两端电压不能突变，驱动电压抬升至V_SW+ V_REGN，此时上管的V_GS = V_REGN > V_GS(th)，上管导通。该状态下， V_CBST的变化如式(2)所示，其中，I_G为上管的栅极驱动电流。