MAX77720：寬輸出電壓范圍雙極性 PMIC 詳解

在電子設備的電源管理領域，一款性能卓越的 PMIC（電源管理集成電路）能夠顯著提升設備的性能與穩定性。今天，我們就來深度解析 Analog Devices 推出的 MAX77720 寬輸出電壓范圍、雙極性 PMIC，這款產品在諸多應用場景中都展現出了獨特的優勢。

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一、產品概述

MAX77720 是一款雙輸出 DC - DC 轉換器，能夠生成兩個獨立調節的正電源電壓和負電源電壓。其中，正輸出可提供高達 4W 的功率，負輸出則能提供高達 4.8W 的功率，這使其非常適合為智能物聯網（IoT）設備中的飛行時間（ToF）成像傳感器和 OLED 顯示器等供電。

其輸出電壓范圍十分寬泛，可生成低至 - 24V 的可調負輸出電壓以及高達 + 20V 的正輸出電壓。負輸出以固定的 1.5MHz 頻率運行，正輸出以固定的 1MHz 頻率運行，這種設計有助于在敏感應用中進行噪聲過濾，并減小外部組件的尺寸。

此外，該器件還具備 nERR 引腳，當連接到外部設備的輸出引腳時，可用于禁用穩壓器以發出外部錯誤信號，并且可以通過主機處理器的 I2C 接口清除該錯誤以重新啟用穩壓器。同時，雙向 I2C 串行接口允許對設備進行配置和狀態檢查，眾多工廠可編程選項使該設備能夠針對多種應用進行定制，從而加快產品上市時間。

二、關鍵特性與優勢

（一）輸入輸出特性

1. 輸入電壓范圍：支持 2.5V 至 5.5V 的輸入電壓范圍，能適配多種不同的電源輸入。
2. 可編程輸出電壓范圍：正輸出電壓最高可達 + 20V，負輸出電壓最低可至 - 24V，且輸出電壓可通過編程進行靈活調節。

（二）功能特性

1. 靈活的配置選項
   • I2C 接口：通過雙向 I2C 串行接口，可方便地對設備進行配置和狀態監測。
   • 工廠 OTP 設置：提供工廠一次性可編程（OTP）設置，可根據不同應用需求定制設備特性。
   • 可編程的啟動和關閉延遲：允許設置不同電源軌之間的啟動和關閉延遲時間，增強了系統的靈活性和穩定性。
2. 兼容性與保護特性
   • 1.2V 至 3.6V (V_{IO}) 兼容：能與多種不同電壓的外部設備進行接口。
   • True Shutdown? 功能：用于升壓轉換器，可在關閉時斷開輸出與輸入的連接，避免正向或反向電流。
   • 可編程的峰值電流限制：升壓轉換器的峰值電流限制可在 0.5A 至 1A 之間進行編程，以適應不同的負載需求。
   • 保護功能齊全：具備熱關斷保護、故障條件標志、外部傳感器故障條件錯誤引腳以及軟啟動時的涌流控制等功能，保障了設備的可靠性和穩定性。

（三）其他特性

1. 工作溫度范圍：支持 - 40°C 至 + 125°C 的寬工作溫度范圍，適用于多種惡劣環境。
2. 小尺寸封裝：采用 3.86 (mm^{2}) 的晶圓級封裝（WLP），20 凸點、0.4mm 間距、5 x 4 陣列的設計，節省了電路板空間。

三、詳細工作原理

（一）整體架構

MAX77720 結合了升壓轉換器和異步反相降壓 - 升壓轉換器，從而實現正輸出電壓和負輸出電壓的生成。每個穩壓器都由脈沖寬度調制（PWM）控制器獨立調節和控制，并且升壓轉換器還允許對峰值電流限制閾值進行編程，通過使用外部反饋電阻，可實現更寬的輸出電壓范圍和可定制的啟動輸出電壓。反相降壓 - 升壓轉換器則可通過 I2C 接口從主機處理器進行可編程電壓設置。

（二）工作模式

1. 反相降壓 - 升壓轉換器

• 跳過模式（Skip Mode）：在無負載或輕負載條件下，轉換器會自動進入跳過模式以提高效率。在此模式下，當誤差放大器輸出電壓小于目標跳過閾值時，高端 MOSFET 會跳過導通脈沖，目標跳過閾值決定了峰值電感電流（典型值為 400mA）。
• PWM 模式：采用 1.5MHz 開關頻率的脈沖寬度調制和峰值電流模式控制架構，內部具有環路補償。在每個時鐘上升沿，高端 MOSFET 導通，電感電流上升；誤差放大器對 FBIBB 引腳處的輸出電壓分數與內部參考電壓之間的誤差進行積分，以設置電感中的峰值電流，當電流達到該峰值時，高端 MOSFET 關斷，電感電流通過外部肖特基二極管對負電壓軌（VOUT_IBB）進行放電。

2. 升壓轉換器

• 跳過模式（Skip Mode）：在輕負載時，通過脈沖頻率調制（PFM）自動進入跳過模式以提高效率。在該模式下，導通時間由 500mA 的峰值電感電流限制決定，當電感電流達到該限制時，導通時間結束，功率二極管正向偏置，電荷轉移到輸出電容使輸出電壓上升；當電感電流降至零，關斷時間結束，負載由輸出電容供電，輸出電壓下降；當 FB 電壓低于 PFM 參考電壓時，設備再次啟動導通時間以提升輸出電壓。在跳過模式下，升壓轉換器將輸出電壓調節到標稱輸出目標值的 1% 以上（注：對于 CNFG_IBB0.IPK_BST[1:0] = 0b11 模式，僅在不連續導通模式（DCM）下工作，該閾值變化不適用）。
• PWM 模式：在連續導通模式（CCM）的負載電流水平下，采用準恒定 1.0MHz 開關頻率的脈沖寬度調制。根據輸入電壓與輸出電壓的比率，電路預測所需的關斷時間；在開關周期開始時，低端 MOSFET 導通，輸入電壓施加在電感上，電感電流上升，輸出電容由負載電流放電；當電感電流達到輸出誤差放大器設置的電流閾值時，低端 MOSFET 關斷，功率二極管正向偏置，電感將存儲的能量轉移到輸出電容以補充電荷并為負載供電；關斷時間結束后，下一個開關周期開始。在該模式下，誤差放大器將 FBBST 引腳電壓與內部參考電壓進行比較，其輸出決定電感峰值電流，并且內部補償電路可適應廣泛的輸入電壓、輸出電壓、電感和輸出電容范圍，以確保穩定運行。

（三）I2C 通信

MAX77720 使用標準 I2C 協議通過兩線總線系統進行通信。系統支持作為單目標或多目標、單控制器或多控制器系統中的目標設備運行，采用 7 位目標地址，最多可支持 128 個目標地址。通信過程包括位傳輸、起始和停止條件、確認位、數據順序、目標地址等要素。在通信速度方面，支持 0Hz 至 1MHz 的標準模式、快速模式和快速模式增強型，不同模式下對總線電容和上拉電阻有不同要求，高速模式還需要一些特殊考慮，如控制器使用電流源上拉、目標設備使用不同的輸入濾波器以及采用高速控制器代碼等。同時，該設備支持對單個寄存器和連續寄存器的讀寫操作，每種操作都有相應的通信協議。

四、應用信息

（一）使能選項

MAX77720 提供了高度的控制靈活性。EN 引腳可用于啟用升壓和反相降壓 - 升壓轉換器，并可通過各自的編程延遲（CNFG_DLY0.STRTUP_DLY_BST 和 CNFG_DLY1_STRTUP_DLY_IBB）進行控制。此外，還可以通過 I2C 將 CNFG_GLBL.FRC_BST_ON 置為 1 來無延遲地強制啟動升壓轉換器，將 CNFG_GLBL.FRC_IBB_ON 置為 1 來無延遲地強制啟動反相降壓 - 升壓轉換器。

（二）組件選擇

1. 輸入電容器：建議使用具有 X5R 或 X7R 電介質的陶瓷電容器，因為它們具有小尺寸、低等效串聯電阻（ESR）和小溫度系數的優點。在 INIBB 引腳和 PGND 之間應具有至少 12μF 的有效電容，在升壓電感和 PGND 之間也應如此，這兩個電容器應盡可能靠近 IC 放置。此外，建議在 IN 引腳和 AGND 之間使用 1μF 的旁路電容器，以確保設備的穩定運行并減少可能影響 IC 性能的噪聲注入。為了充分利用設備的可用輸入電壓范圍（最大 5.5V），輸入電容器的額定電壓應至少為 6.3V。
2. 反相降壓 - 升壓電感：該轉換器針對 3.3μH 電感進行了優化。選擇電感時，應確保其飽和電流大于或等于最大峰值電流限制設置（IIBB_ILIM），同時要考慮電感的直流電阻（DCR）、交流電阻（ACR）和封裝尺寸等因素，通常較小尺寸的電感具有較大的 DCR 和 ACR，會降低效率，需參考制造商的數據手冊來平衡各因素之間的權衡。
3. 反相降壓 - 升壓二極管：由于該轉換器是異步轉換器，需要外部二極管，建議使用具有低正向電壓降和快速開關動作的肖特基二極管。對于低電壓范圍（- 17.01V 至 - 24V），應選擇反向電壓（VR）低于 - 40V 且最小正向電流（IFW）為 1.5A 的肖特基二極管；對于高電壓范圍（- 10.01V 至 - 17V），應選擇反向電壓（VR）低于 - 30V 且最小正向電流（IFW）為 1.5A 的肖特基二極管。
4. 反相降壓 - 升壓輸出電容器：為了確保反相降壓 - 升壓轉換器的穩定運行，輸出電容（COUT_IBB）應至少為 4.7μF。選擇電容器時，要考慮其初始公差、溫度變化和直流偏置降額等因素，較大的 COUT_IBB 值可以改善負載瞬態性能和紋波性能，但會增加軟啟動期間的輸入浪涌電流。輸出濾波器電容器的 ESR 應足夠低，以滿足輸出紋波和負載瞬態要求，其電容應足夠高，以吸收電感在從滿載到空載過渡時的能量。建議使用具有 X5R 或 X7R 電介質的陶瓷電容器，對于低電壓范圍（- 17.01V 至 - 24V）的應用，建議使用額定電壓為 50V 的電容器以提高可靠性；對于高電壓范圍（- 10.01V 至 - 17V）的應用，建議使用額定電壓為 35V 的電容器。
5. 升壓電感：電感的選擇對升壓電源轉換器的穩態運行、瞬態行為和環路穩定性至關重要。MAX77720 升壓轉換器設計用于 4.7μH 至 15μH 的電感值，同時應選擇飽和電流大于或等于編程峰值電流限制設置（IBST_ILIM）的電感?？梢酝ㄟ^相關公式計算電感的峰值電流，一般建議根據 VOUT_BST 設置選擇電感值（如 VOUT_BST 在 5.5 至 7V 時選擇 4.7μH，7 至 9V 時選擇 6.8μH 等）。
6. 升壓輸出電容器：為了確保升壓轉換器的穩定運行，輸出電壓在 8V 及以下時，輸出電容（COUTBST）應至少為 12μF；輸出電壓高于 8V 時，應至少為 6μF。與反相降壓 - 升壓轉換器類似，要考慮電容器的初始公差、溫度變化和直流偏置降額等因素。對于輸出電壓范圍在 14V 及以上的應用，建議使用額定電壓為 35V 或 50V 的電容器；對于輸出電壓范圍低于 14V 的應用，建議使用額定電壓為 20V 或更高的電容器。輸出電容器會影響升壓轉換器的小信號控制環路穩定性，增加輸出電容可使輸出電壓紋波更小，在 (V{IN}) 接近 VOUT_BST 的應用中，需要更多的輸出電容來最小化輸出電壓紋波。

（三）PCB 布局

精心設計的印刷電路板（PCB）布局對于實現低開關功率損耗和干凈穩定的操作至關重要。布局時應遵循以下一般準則：

1. 將 DC - DC 轉換器的電感和輸出電容器靠近 MAX77720 放置，以減小功率環路的尺寸。
2. 在布線 DC - DC 轉換器的電流路徑時，使用短而寬的走線，以減少快速開關產生的電磁干擾（EMI）問題，其中 LX 引腳與電感之間的走線最為關鍵。
3. 輸入和輸出電容器的接地環路應盡可能小。
4. 對于多層 PCB，模擬接地（AGND）應設置為獨立平面，電源接地（PGND）也應設置為獨立平面，AGND 應直接連接到接地平面，以確保 AGND 的安靜接地平面并避免公共阻抗接地。
5. 反饋引腳應遠離 LX 開關節點進行布線，以提高抗噪能力，因為該引腳是高阻抗輸入，對噪聲非常敏感。
6. 盡可能使用接地平面和走線來屏蔽反饋信號，以最小化噪聲和磁干擾，對于多層 PCB，應在高電流路徑和任何模擬或數字路徑之間設置接地平面。

五、總結

MAX77720 寬輸出電壓范圍、雙極性 PMIC 憑借其出色的性能、靈活的配置選項和豐富的保護功能，為智能物聯網設備中的 ToF 傳感器、OLED 顯示器等應用提供了理想的電源管理解決方案。在實際設計過程中，工程師需要根據具體的應用需求，合理選擇外部組件并優化 PCB 布局，以充分發揮該器件的優勢，確保設備的穩定運行。大家在使用 MAX77720 的過程中，有沒有遇到什么特別的問題或者獨特的應用體驗呢？歡迎在評論區分享交流。