高效低功耗：MAX1586/MAX1587電源管理IC深度解析

在當今的電子設備領域，尤其是智能手機、PDA等便攜式設備，對電源管理的要求越來越高。高效、低功耗且具備強大功能的電源管理IC成為了設計的關鍵。今天我們就來詳細探討一下Maxim公司推出的MAX1586/MAX1587電源管理IC，看看它是如何滿足這些需求的。

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一、產品概述

MAX1586/MAX1587專為采用Intel XScale微處理器的設備進行了優化，適用于第三代智能手機、PDA、互聯網設備以及其他需要在低功耗下具備強大計算和多媒體能力的便攜式設備。這兩款IC集成了七個高性能、低工作電流的電源供應模塊，同時還具備監控和管理功能。

二、產品特性

（一）豐富的電源輸出

• DC-DC轉換器：三個降壓DC-DC輸出（V1、V2、V3），為I/O、DRAM和CPU核心供電。例如，V1可提供3.3V或可調輸出電壓，最大負載可達1300mA；V2在不同型號中有不同的預設電壓，如MAX1586A和MAX1587A預設為1.8V或2.5V，MAX1586B預設為3.3V或2.5V，也可通過外部電阻進行調節，最大負載可達900mA；V3通過I2C串行接口進行編程，輸出電壓可在0.7V至1.475V之間以25mV的步長調節，不同型號的最大負載能力不同，如MAX1586A、MAX1586B和MAX1587A為500mA，MAX1586C和MAX1587C為900mA。
• 線性穩壓器：三個線性穩壓器（V4、V5、V6），分別為PLL、SRAM和USIM供電。其中，V4提供固定的1.3V輸出，最大負載35mA；V5提供固定的1.1V輸出，最大負載35mA；V6僅MAX1586有，輸出電壓可通過I2C串行接口編程為0V、1.8V、2.5V或3.0V，最大負載35mA。
• 始終開啟輸出：一個始終開啟的輸出V7，可連接到Intel CPU的VCC_BATT，最大負載30mA。

（二）低功耗設計

為了降低睡眠狀態下的靜態電流，V1和V2配備了旁路“睡眠”LDO。當輸出電流非常低時，可以激活這些LDO，以減少電池消耗。不同工作模式下的靜態電流表現如下：

• RUN模式：所有電源開啟并運行，MAX1587為200μA，MAX1586為225μA。
• SLEEP模式：PWR_EN控制的電壓（V3、V4、V5）關閉，V1和V2開啟。如果V1和V2的睡眠LDO開啟，電流為60μA；如果V1、V2的降壓DC-DC轉換器啟用，電流為130μA。
• DEEP SLEEP模式：除V7外所有電源關閉，V7由備用電池供電。如果VIN > DBI閾值，MAX1587為5μA，MAX1586為32μA；如果VIN < DBI閾值，為4μA。

（三）高效的PWM開關

所有DC-DC輸出均采用快速的1MHz PWM開關和小型外部組件。在固定頻率PWM控制下運行，并在輕負載時自動從PWM模式切換到跳周期模式，以降低工作電流，延長電池壽命。V3核心輸出在所有負載下都能強制進入PWM模式，以實現低噪聲運行。

（四）寬輸入電壓范圍

輸入電壓范圍為2.6V至5.5V，支持單節鋰離子（Li+）電池、3節鎳氫（NiMH）電池或穩壓5V輸入，為不同的電源配置提供了靈活性。

三、關鍵功能模塊解析

（一）DC-DC轉換器

1. V1和V2降壓DC-DC轉換器

V1和V2均為1MHz電流模式降壓轉換器。在中等到重負載下，以低噪聲PWM模式運行，具有恒定頻率和調制脈沖寬度，固定頻率操作產生的開關諧波穩定且易于過濾。在輕負載（<30mA）時，進入Idle Mode?，僅在需要時進行開關操作，以提高效率。

內部的n溝道同步整流器消除了對外部肖特基二極管的需求，提高了效率。在同步整流期間，電壓在每個周期的后半段反轉，電感電流下降，在正常操作（非強制PWM）下，同步整流器在周期結束時或電感電流接近零時關閉。

當電感電流在導通時間內不足以提供負載時，開關保持導通，允許實現高達100%的占空比，從而在輸入電壓接近調節電壓時維持輸出電壓的穩定。例如，V1在800mA負載下的壓降約為180mV，V2在800mA負載下的壓降約為220mV。

2. V3降壓DC-DC轉換器

V3同樣是1MHz電流模式降壓轉換器。輸出電壓通過I2C串行接口進行設置，默認輸出電壓為1.3V。在中等到重負載下，始終以低噪聲PWM模式運行；在輕負載（<30mA）且PWM3為低電平時，進入增強效率的Idle Mode；當PWM3為高電平時，在所有負載條件下都以低噪聲強制PWM模式運行。

（二）線性穩壓器

1. V4（VCC_PLL）

提供固定的1.3V輸出，最大負載35mA。電源輸入IN45通常連接到V2。在MAX1586上，通過驅動ON4為高電平來啟用，驅動ON4為低電平則關閉；在MAX1587上，V4和V5的使能引腳合并，驅動ON45為高電平來啟用，驅動ON45為低電平則關閉。

2. V5（VCC_SRAM）

提供固定的1.1V輸出，最大負載35mA。電源輸入同樣為IN45，通常連接到V2。在MAX1586上，通過驅動ON5為高電平來啟用，驅動ON5為低電平則關閉；在MAX1587上，與V4的使能控制方式相同。

3. V6（VCC_USIM - MAX1586 Only）

輸出電壓可通過I2C串行接口編程為0V、1.8V、2.5V或3.0V，上電默認電壓為0V。電源輸入IN6通常連接到V1。通過驅動ON6為高電平來啟用，驅動ON6為低電平則關閉。

（三）V7始終開啟輸出

V7輸出在V1啟用且處于穩壓狀態或備用電源存在時始終保持激活。當ON1為高電平且V1處于穩壓狀態時，V7由內部MOSFET開關從V1獲取電源；當ON1為低電平或V1失穩時，V7由片上的第二個MOSFET從BKBT獲取電源。

（四）監控和管理功能

1. 欠壓鎖定（UVLO）

當輸入電壓低于2.35V（典型值）時，欠壓鎖定電路會禁用IC，輸入在UVLO期間保持高阻抗，減少電池負載。所有串行寄存器在輸入電壓低至至少2.35V時仍能保持數據。

2. 復位輸出（RSO）和MR輸入

復位輸出RSO在MR輸入為低電平或V7低于2.425V時為低電平。V7由V1（啟用時）或備用電池輸入（BKBT）供電。在某些情況下，如首次上電、斷電、備用電池電壓低于2.425V或按下手動復位按鈕（MR為低電平）時，RSO通常會變為低電平。

如果VIN > 2.4V，當V7上升到2.3V以上后，內部定時器會延遲65ms釋放RSO；如果VIN < 2.4V或VIN和V7同時上升，RSO會立即釋放，無65ms延遲。手動復位輸入MR為低電平時，會使RSO輸出至少低65ms，并將V3輸出重置為默認的1.3V設置，不影響其他功能。

3. 死電池和低電池比較器 - DBI、LBI（MAX1586 Only）

DBI和LBI輸入監視輸入電源（通常是電池），并觸發DBO和LBO輸出。死電池比較器在電池（VIN）放電到死電池閾值時觸發DBO，可通過將DBI連接到IN選擇工廠預設的3.15V閾值，也可通過在DBI處使用電阻分壓器進行編程；低電池比較器的工廠預設閾值為3.6V，可通過將LBI連接到IN選擇該閾值，也可使用電阻分壓器進行編程。

4. 電源良好輸出（POK）

POK是一個開漏輸出，當任何激活的穩壓器（V1 - V6）低于其調節閾值時為低電平，不監視V7。當所有激活的輸出電壓在調節范圍的10%以內時，POK為高阻抗。在V3通過串行編程進行電壓轉換期間或任何穩壓器通道關閉時，POK不會標記失調情況。當任何穩壓器開啟時，POK會暫時變為低電平，當該穩壓器達到調節狀態時恢復為高電平。當所有穩壓器（V1 - V6）關閉時，POK被強制為低電平；當輸入電壓低于UVLO閾值時，POK保持低電平，并在VIN低至1V時仍能保持有效低輸出。

（五）串行接口

I2C兼容的兩線串行接口控制MAX1587上的REG3以及MAX1586上的REG3和REG6。當VIN超過2.40V UVLO閾值且至少有一個ON1 - ON6置位時，串行接口開始工作；當所有穩壓器都未啟用時，串行接口關閉以減少關斷電流消耗。

四、設計要點

（一）輸出電壓設置

• V1和V2：可通過將FB1連接到GND將V1設置為3.3V；通過將FB2連接到不同位置，可將V2設置為預設電壓（如MAX1586A和MAX1587A的1.8V或2.5V，MAX1587B的3.3V或2.5V）。若要設置為其他電壓，可使用電阻分壓器連接到相應的FB輸入。由于FB_輸入偏置電流小于100nA，選擇低側（FB到GND）電阻（RL）為100kΩ或更小，然后使用公式RH = RL[(VOUT / 1.25) - 1]計算高側（輸出到FB）電阻（RH）。
• V3：通過I2C串行接口在0.7V至1.475V之間以25mV的步長設置輸出電壓。
• V4和V5：分別提供固定的1.3V和1.1V輸出電壓，不可調節。
• V6：通過I2C串行接口設置輸出電壓為0V、1.8V、2.5V或3.0V。
• V7：只要ON1為高電平且V1處于穩壓狀態，就跟蹤V1的電壓；當ON1為低電平或V1失穩時，切換到備用電池（VBKBT）。

（二）電感和電容選擇

1. 電感選擇

為了使MAX1586/MAX1587降壓轉換器在連續電感電流下實現最佳效率，可根據公式計算理想電感值（LIDEAL），該值可將電感電流的峰 - 峰設置為直流電感電流的1/2。確保電感的飽和電流超過峰值電感電流，額定最大直流電感電流超過最大輸出電流（IOUT(MAX)）。較大的電感值可優化效率或獲得最大可能輸出電流，但可能會增加電感尺寸或電阻，降低效率；較小的電感值可減小電感尺寸，但會導致較大的峰值電感電流，可能需要更大的輸出電容來抑制輸出紋波。

2. 電容選擇

• 輸入電容：DC - DC轉換器中的輸入電容可減少從電池或其他輸入電源汲取的電流峰值，并降低控制器中的開關噪聲。輸入電容在開關頻率下的阻抗應小于輸入源的阻抗，以避免高頻開關電流通過輸入源。
• 輸出電容：輸出電容用于保持輸出紋波小并確保控制環路的穩定性。陶瓷、聚合物和鉭電容都是合適的選擇，其中陶瓷電容具有最低的ESR和高頻阻抗。可根據公式計算輸出紋波，若電容具有顯著的ESR，還需考慮其對輸出紋波的影響。

（三）補償和穩定性

對于REG1、REG2和REG3的補償，需要考慮跨導（從FB到CC）、電流感測放大器的跨阻、反饋調節電壓、降壓輸出電壓和輸出負載等效電阻等特性。關鍵步驟包括設置補償RC零點以抵消RLOAD COUT極點，并將環路交叉頻率設置在或低于開關頻率的約1/10。根據具體參數選擇合適的補償電容和電阻，以滿足瞬態下垂要求。

（四）PCB布局和布線

良好的PCB布局對于實現最佳性能至關重要。攜帶不連續電流的導體和任何高電流路徑應盡可能短而寬。單獨的低噪聲接地平面應僅在一點連接到電源接地平面，以最小化電源接地電流的影響，通常在IC處連接最佳。電壓反饋網絡應盡可能靠近IC，優選在FB引腳的0.2英寸（5mm）范圍內。高dV/dt節點（開關節點）應盡可能小，并遠離高阻抗節點，如FB。

五、應用拓展

（一）擴展最大核心電壓范圍

在某些情況下，可能需要更高的CPU核心電壓。可以通過添加兩個電阻來增加V3的電壓范圍，調整后的電壓可根據公式計算。

（二）備用電池和V7配置

1. 主備用電池

使用不可充電的鋰硬幣電池作為備用電池時，可將其直接連接到BKBT。V7從V1（如果啟用）或備用電池為CPU VCC_BATT供電。

2. 無備用電池或替代備用方案

如果不使用備用電池或使用不涉及MAX1586/MAX1587的替代備用方案，可使用小硅二極管（如1N4148）將BKBT從IN偏置。因為DBO、RSO和POK需要BKBT供電才能正常工作，所以即使不使用備用電池，也必須為BKBT供電。

3. 可充電鋰電池備用電池

當需要更多備用電源且主電池容量不足時，可使用可充電鋰電池。當3.3V的V1電源激活時，通過串聯電阻和二極管對電池進行充電。

4. 可充電鎳氫電池備用電池

在某些系統中，可能希望使用鎳氫電池作為備用電池。通常需要多個電池，因為典型的鎳氫電池電壓僅為1.2V。可添加一個小型DC - DC轉換器（如MAX1724）將低電池電壓升壓至3V以偏置BKBT，同時在主電源存在時通過電阻和二極管對鎳氫電池進行涓流充電。

六、總結與建議

MAX1586/MAX1587電源管理IC以其豐富的功能、高效低功耗的特性，為采用Intel XScale微處理器的便攜式設備提供了強大的電源管理解決方案。在設計過程中，需要根據具體的應用需求，合理選擇輸出電壓、電感和電容，進行有效的補償和穩定性設計，并注意PCB布局和布線，以充分發揮其性能優勢。同時，不同的備用電池配置可以根據實際情況靈活選擇，滿足多樣化的使用場景。大家在實際應用中遇到什么問題，或者有不同的見解，歡迎一起交流探討。