MAX77642/MAX77643：低功耗應(yīng)用的高效電源管理解決方案

在當(dāng)今電子設(shè)備追求小型化、低功耗和長續(xù)航的趨勢下，電源管理集成電路（PMIC）的性能和功能顯得尤為關(guān)鍵。Analog Devices的MAX77642/MAX77643就是這樣一款專為低功耗應(yīng)用設(shè)計(jì)的高度集成PMIC，它以其出色的性能和靈活的配置能力，為各類電子設(shè)備提供了理想的電源解決方案。

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一、產(chǎn)品概述

MAX77642/MAX77643是一款針對尺寸和效率要求極高的低功耗應(yīng)用而設(shè)計(jì)的PMIC。它集成了一個(gè)單電感多輸出（SIMO）降壓 - 升壓調(diào)節(jié)器，可通過單個(gè)電感提供三個(gè)獨(dú)立可編程的電源軌，有效減小了整體解決方案的尺寸。同時(shí)，還配備了一個(gè)150mA的低壓差線性穩(wěn)壓器（LDO），可為音頻等對噪聲敏感的應(yīng)用提供紋波抑制功能，并且該LDO還可配置為負(fù)載開關(guān)，以在不需要時(shí)斷開外部模塊，從而管理功耗。

1.1 產(chǎn)品差異

MAX77642和MAX77643在功能上存在一些差異。MAX77642的SIMO和LDO輸出電壓通過電阻單獨(dú)可編程，而MAX77643則通過 (I^{2} C) 接口進(jìn)行單獨(dú)編程，并且還包含兩個(gè)具有備用模式的通用輸入輸出（GPIO）引腳以及一個(gè)看門狗定時(shí)器，為系統(tǒng)提供了更高的可擴(kuò)展性和安全性。

1.2 應(yīng)用領(lǐng)域

該產(chǎn)品適用于多種低功耗應(yīng)用場景，包括下一代可聽設(shè)備、健身與健康活動(dòng)監(jiān)測器、安全與安保監(jiān)測器以及便攜式消費(fèi)設(shè)備等。

二、產(chǎn)品特性與優(yōu)勢

2.1 高度集成

• 單電感多輸出（SIMO）降壓 - 升壓調(diào)節(jié)器：具備三個(gè)輸出通道，支持0.5V至5.5V的寬輸出電壓范圍，為不同的負(fù)載提供了靈活的電源選擇。
• 150mA LDO：可為對噪聲敏感的應(yīng)用提供穩(wěn)定的電源，并且在負(fù)載開關(guān)（LSW）模式下可提供100mA的電流。
• GPIO和看門狗定時(shí)器（MAX77643）：兩個(gè)GPIO引腳增加了系統(tǒng)的靈活性，看門狗定時(shí)器則提高了系統(tǒng)的可靠性，可防止系統(tǒng)因軟件故障而死機(jī)。

2.2 超低功耗SIMO

• 低工作電流：3個(gè)SIMO通道和1個(gè)LDO的總工作電流僅為5μA，每個(gè)SIMO通道的工作電流為1μA，關(guān)機(jī)電流低至0.3μA，有效延長了電池續(xù)航時(shí)間。
• 高效率：在僅升壓模式下，峰值效率可達(dá)93%；在僅降壓模式下，峰值效率可達(dá)91%，并且在 (V_{OUT }=1.8 ~V) 時(shí)，輸出紋波小于20mVpp。
• 自動(dòng)模式轉(zhuǎn)換：可自動(dòng)在低功耗模式和正常功耗模式之間轉(zhuǎn)換，以適應(yīng)不同的負(fù)載需求。

2.3 靈活可配置

• 輸出電壓可編程：MAX77642通過電阻實(shí)現(xiàn)輸出電壓可編程，而MAX77643則通過 (I^{2} C) 接口進(jìn)行編程，為不同的應(yīng)用場景提供了靈活的配置方式。

2.4 小尺寸封裝

采用4.24mm2的晶圓級(jí)封裝（WLP），25個(gè)凸點(diǎn)，間距為0.4mm，呈5 x 5陣列，節(jié)省了電路板空間。

三、關(guān)鍵技術(shù)細(xì)節(jié)

3.1 全局資源

3.1.1 電壓監(jiān)測器

通過三個(gè)比較器（POR、UVLO和OVLO）監(jiān)測系統(tǒng)電壓（VSYSA），確保設(shè)備在不同電壓條件下的正常運(yùn)行。這些比較器具有遲滯功能，可防止在系統(tǒng)電壓波動(dòng)時(shí)輸出狀態(tài)頻繁切換。

• POR比較器：在電源上電時(shí)生成復(fù)位信號(hào)，確保設(shè)備在電壓穩(wěn)定后正常啟動(dòng)。
• UVLO比較器：當(dāng)VSYSA低于欠壓鎖定閾值時(shí)，生成SYSAUVLO信號(hào)，通知頂層數(shù)字控制器采取相應(yīng)措施。
• OVLO比較器：當(dāng)電源電壓超過過壓鎖定閾值時(shí)，禁止設(shè)備運(yùn)行，提高了設(shè)備在異常電壓環(huán)境下的可靠性。

3.1.2 熱監(jiān)測器

當(dāng)結(jié)溫達(dá)到145°C時(shí)，設(shè)備自動(dòng)關(guān)機(jī)，保護(hù)設(shè)備免受過熱損壞。

3.1.3 手動(dòng)復(fù)位和喚醒事件

nEN輸入可用于手動(dòng)復(fù)位設(shè)備，并且在輸入斷言時(shí)可觸發(fā)喚醒事件，使設(shè)備從關(guān)機(jī)狀態(tài)恢復(fù)運(yùn)行。

3.1.4 中斷處理和GPIO

中斷輸出（nIRQ）可將設(shè)備的重要狀態(tài)變化通知給主機(jī)處理器，所有中斷均可屏蔽。兩個(gè)GPIO引腳可配置為輸入或輸出，并且在輸出模式下可選擇推挽或開漏模式，為系統(tǒng)提供了更多的控制和通信方式。

3.2 SIMO降壓 - 升壓調(diào)節(jié)器

3.2.1 工作原理

采用單電感多輸出架構(gòu)，通過一個(gè)電感為三個(gè)輸出通道提供電源。該調(diào)節(jié)器可根據(jù)輸入和輸出電壓的關(guān)系，自動(dòng)在降壓、升壓和降壓 - 升壓模式之間切換，以實(shí)現(xiàn)高效的電源轉(zhuǎn)換。

3.2.2 輸出電壓和峰值電流配置

每個(gè)輸出通道的電壓和峰值電流均可獨(dú)立配置。MAX77642通過連接相應(yīng)的電阻到GND來設(shè)置輸出電壓和峰值電流，而MAX77643則通過 (I^{2} C) 接口加載配置寄存器來實(shí)現(xiàn)。

3.2.3 軟啟動(dòng)功能

通過限制輸出電壓的上升速率，減少了啟動(dòng)時(shí)的浪涌電流，保護(hù)了設(shè)備和電池。

3.2.4 降壓和升壓模式（MAX77643）

當(dāng)輸入電壓始終高于或低于輸出電壓時(shí)，可將單個(gè)通道配置為降壓或升壓模式，以進(jìn)一步提高效率。在降壓模式下，僅切換兩個(gè)開關(guān)，減少了開關(guān)損耗；在升壓模式下，同樣通過減少開關(guān)切換次數(shù)和降低電感電流，提高了效率。

3.3 低壓差線性穩(wěn)壓器（LDO）/負(fù)載開關(guān)（LSW）

3.3.1 輸出電壓配置

MAX77642通過連接電阻到GND來設(shè)置LDO的輸出電壓，而MAX77643則通過 (I^{2} C) 接口加載配置寄存器來實(shí)現(xiàn)。

3.3.2 軟啟動(dòng)和有源放電功能

軟啟動(dòng)功能通過限制輸出電壓的上升速率，減少了啟動(dòng)時(shí)的浪涌電流。有源放電電阻可在LDO禁用時(shí)，幫助輸出電壓快速放電，確保系統(tǒng)的及時(shí)斷電。

3.3.3 負(fù)載開關(guān)配置

LDO可配置為負(fù)載開關(guān)，通過控制輸出電壓的下降速率，實(shí)現(xiàn)從LDO模式到負(fù)載開關(guān)模式的平滑過渡。

3.4 (I^{2} C) 串行通信

3.4.1 通信協(xié)議

支持 (I^{2} C) 修訂版3.0的串行通信協(xié)議，時(shí)鐘頻率范圍為0Hz至3.4MHz，包括標(biāo)準(zhǔn)模式、快速模式、快速模式加和高速模式。

3.4.2 數(shù)據(jù)傳輸和地址配置

通過SDA和SCL兩條線進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，每個(gè)數(shù)據(jù)傳輸序列由START和STOP條件框定，每個(gè)數(shù)據(jù)字節(jié)后跟隨一個(gè)確認(rèn)位。設(shè)備的 (I^{2} C) 從地址可通過工廠一次性可編程（OTP）選項(xiàng)進(jìn)行配置，以避免總線沖突。

3.4.3 高速模式

通過特定的協(xié)議可進(jìn)入高速模式，使總線運(yùn)行速度可達(dá)3.4MHz，提高了數(shù)據(jù)傳輸效率。

四、設(shè)計(jì)建議

4.1 元件選擇

4.1.1 電感選擇

建議選擇1.0μH至2.2μH的電感，其中1.5μH的電感在大多數(shù)設(shè)計(jì)中表現(xiàn)最佳。電感的飽和電流應(yīng)大于或等于所有SIMO通道的最大峰值電流限制，RMS電流額定值應(yīng)根據(jù)系統(tǒng)的預(yù)期負(fù)載電流進(jìn)行選擇。

4.1.2 電容選擇

• 輸入電容：選擇10μF的輸入旁路電容，其ESR/ESL應(yīng)非常低，建議使用X5R或X7R介質(zhì)的陶瓷電容。
• 升壓電容：選擇10nF的升壓電容，建議使用0201或0402封裝的陶瓷電容。
• 輸出電容：根據(jù)目標(biāo)輸出電壓紋波選擇輸出旁路電容，典型值為22μF。電容的ESR和ESL應(yīng)很低，同樣建議使用X5R或X7R介質(zhì)的陶瓷電容。

4.2 PCB布局

4.2.1 電容布局

將去耦電容盡可能靠近IC放置，確保電容引腳到IC引腳和接地引腳的連接短，以降低寄生電感和電阻。對于開關(guān)調(diào)節(jié)器的電容（IN_SBB處的輸入電容和SBBx處的輸出電容），布局尤為關(guān)鍵。

4.2.2 電感布局

將電感靠近IC放置，減少走線電阻。使用適當(dāng)寬度的走線連接LXA、電感和LXB，以支持電感的峰值電流。

4.2.3 接地連接

使用寬而連續(xù)的銅平面連接PGND和電容接地，確保噪聲不會(huì)從功率地進(jìn)入模擬地。避免將GND引腳直接連接到其他高電流或嘈雜的電路接地。

五、總結(jié)

MAX77642/MAX77643以其高度集成、超低功耗、靈活可配置和小尺寸封裝等優(yōu)勢，為低功耗應(yīng)用提供了全面而高效的電源管理解決方案。在設(shè)計(jì)過程中，合理選擇元件和優(yōu)化PCB布局，能夠充分發(fā)揮該產(chǎn)品的性能，滿足不同應(yīng)用場景的需求。電子工程師們在開發(fā)下一代可聽設(shè)備、健身監(jiān)測器、安全設(shè)備和便攜式消費(fèi)設(shè)備等產(chǎn)品時(shí)，不妨考慮采用MAX77642/MAX77643來實(shí)現(xiàn)長電池續(xù)航和穩(wěn)定的電源供應(yīng)。大家在實(shí)際應(yīng)用中是否遇到過類似產(chǎn)品的其他問題呢？歡迎在評論區(qū)分享交流。