高性能降壓 - 升壓轉換器MAX77847：設計詳解與應用指南

在如今的電子設備中，電源管理芯片的性能直接影響著設備的整體表現。今天，我們就來深入探討一款高性能的降壓 - 升壓轉換器——MAX77847，看看它有哪些獨特之處，以及如何在實際設計中發揮其優勢。

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一、產品概述

MAX77847是一款專為電池供電應用而設計的高效能降壓 - 升壓調節器。它具有行業領先的14μA靜態電流，支持1.8V至5.5V的輸入電壓范圍和1.8V至5.2V的輸出電壓范圍，并且提供兩個可編程的開關電流限制，能根據負載需求優化外部組件的尺寸。其獨特的降壓 - 升壓控制器技術，確保了高效率、出色的負載和線路瞬態性能，以及在輸入和輸出范圍內的無縫模式轉換。

二、關鍵特性與優勢

2.1 靈活的系統集成

該芯片提供了硬件配置SEL引腳，可配置默認輸出電壓和I2C目標地址。同時，硬件動態電壓縮放（DVS）引腳允許用戶在不干擾I2C的情況下，在兩個輸出電壓之間切換輸出電壓。此外，I2C接口可選，用戶可以以50mV的步長調整輸出電壓。

2.2 寬輸入輸出電壓范圍

輸入電壓范圍為1.8V至5.5V，輸出電壓范圍為1.8V至5.2V（50mV步長），能夠滿足多種不同的電源需求。

2.3 高開關電流限制

提供4.5A/3.6A的開關電流限制，可根據實際應用場景進行選擇。

2.4 超低靜態電流

僅14μA的超低IQ，有助于延長電池續航時間。

2.5 多種工作模式

支持SKIP模式和強制PWM（FPWM）模式。SKIP模式可在輕載時提高效率，而FPWM模式則適用于對輸出紋波要求較低的應用。

2.6 完善的保護功能

具備熱關斷、欠壓鎖定（UVLO）、過壓保護和開關電流限制等保護功能，確保系統和設備的安全穩定運行。

三、引腳配置與功能

3.1 引腳配置

3.2 引腳功能詳解

• IN引腳：作為電源輸入，旁路電容的選擇至關重要，合適的電容可以有效濾除輸入電壓中的紋波和噪聲，提高電源的穩定性。
• LX1和LX2引腳：分別作為輸入側和輸出側的開關節點，與電感配合實現能量的存儲和釋放。
• OUT引腳：輸出電源，同樣需要旁路電容來穩定輸出電壓。
• GPI引腳：具有靈活的配置功能，可根據實際需求選擇作為FPWM或DVS控制輸入。
• SEL引腳：通過連接不同阻值的電阻到AGND，可以配置啟動輸出電壓和I2C目標地址，為系統設計提供了更多的靈活性。

四、工作模式與控制方案

4.1 降壓 - 升壓控制方案

MAX77847采用四開關H橋架構，可在降壓、升壓和降壓 - 升壓模式下工作。該拓撲結構能夠在整個輸入電壓范圍內保持輸出電壓的穩定，并根據輸入和輸出電壓的變化實現平滑的模式轉換。其控制方案采用2.2MHz固定頻率脈沖寬度調制（PWM）控制，并結合電流模式補償，通過四個FET開關在四個不同階段進行控制：

• 階段1（Φ1）：HS1和LS2開關導通，電感電流以 (dI{L}/dt = V{IN}/L) 的速率上升，將能量存儲在電感中。
• 階段2（Φ2）：HS1和HS2開關導通，根據輸入和輸出電壓的差異，電感電流可能上升或下降。在升壓模式下， (V{OUT} > V{IN}) ，電感電流下降；在降壓模式下， (V{IN} > V{OUT}) ，電感電流上升，變化速率為 (dI{L}/dt = (V{IN} - V_{OUT})/L) 。
• 階段3（Φ3）：LS1和HS2開關導通，電感電流以 (dI{L}/dt = -V{OUT}/L) 的速率下降，釋放電感中的能量。
• 階段4（Φ4）：LS1和LS2開關導通，將電感與輸入和輸出電壓斷開。

4.2 SKIP模式和強制PWM（FPWM）模式

• SKIP模式：在輕載或無負載條件下，芯片自動進入SKIP模式，輸出電壓在SKIP模式上限閾值（VSKIP_UPPER）和下限閾值（VSKIP_LOWER）之間調節，以提高輕載效率。
• FPWM模式：通過I2C接口將CFG(0x01)寄存器中的FPWM[0]位字段設置為0b1，或在GPI引腳編程為FPWM功能時將其拉高，可使芯片進入FPWM模式。FPWM模式適用于對輸出紋波要求較低的應用。

五、啟動與關機

5.1 啟動過程

當EN引腳置高時，芯片開啟內部偏置電路，通常需要100μs（TON_DLY）來穩定。對于MAX77847A（MAX77847B），CFG(0x01)寄存器中的EN[0]位字段默認設置為0b0（0b1）。當通過I2C將EN[0]設置為0b1時，控制器會感測SEL引腳電阻以設置參考電壓，RSEL讀取大約需要450μs（TSEL）。讀取RSEL值后，芯片開始軟啟動過程，為了限制啟動時的浪涌電流，開關電流限制水平（ILIM_SS）會降低到ILIM的一半左右。當輸出電壓達到目標調節點（VTARGET的90%）時，軟啟動時間結束，再經過100μs的過渡時間，芯片切換到正常開關控制（SKIP模式/FPWM），開關電流限制增加到ILIM。

5.2 關機條件

當MAX77847被EN[0]位字段禁用、EN引腳拉低或因保護功能鎖定時，轉換器停止開關操作。此后，芯片會打開OUT和PGND之間的有源放電開關，快速放電輸出電容。以下幾種情況會導致鎖定：

• 熱關斷（TSHDN）
• 軟啟動超時（TSS）
• 連續約2ms的ILIM事件
• 欠壓鎖定（UVLO）

只有在故障條件從系統中消除，并且VIN、EN[0]位字段或EN引腳進行循環操作后，輸出才能重新啟用。

六、保護功能

6.1 熱關斷

芯片內部的熱保護電路會監測管芯溫度，當管芯溫度超過熱關斷保護閾值TSHDN（典型值為+150?C）時，降壓 - 升壓功能會鎖定。只有在管芯溫度冷卻15?C后，通過切換VIN、循環EN[0]位字段或EN引腳，才能重新啟用降壓 - 升壓輸出。

6.2 欠壓鎖定（UVLO）

當輸入電壓VIN低于VUVLO_falling閾值時，UVLO功能會防止芯片在異常輸入電壓條件下工作。無論EN[0]位字段的狀態如何，芯片都會禁用，直到輸入電壓VIN上升到VUVLO_rising閾值以上。之后，需按照啟動部分的步驟啟用降壓 - 升壓轉換器。

6.3 過壓保護

芯片會檢測OUT和OUTS之間的電壓差，當電壓差（OUT - OUTS）超過OVP閾值電壓水平（典型值為0.5V）時，芯片會關閉所有開關，防止OUTS = OPEN條件下輸出電壓超過安全工作范圍，并與軟啟動超時定時器（TSS）配合關閉開關轉換器。此外，當OUTS檢測到電壓超過目標輸出值的20%（當OUT目標設置高于5V時為10%）時，芯片會關閉，并設置STAT(0x00)寄存器中的OVP[0]位字段。

6.4 開關電流限制

MAX77847具有強大的開關電流限制方案，可在過載和快速瞬態條件下保護芯片和電感。電流傳感電路從高端MOSFET獲取電流信息，以確定峰值開關電流（ (R{DS(ON)} × I{L}) ）。芯片提供4.5A（典型值）和3.6A（典型值）兩種不同的開關電流限制水平，可通過I2C接口使用CFG(0x01)寄存器中的ILIM[0]位字段進行編程。如果開關電流達到電流限制（ILIM）約2ms，芯片會鎖定輸出，可通過循環EN[0]位字段、EN引腳或VIN來重新啟用降壓 - 升壓功能。

七、I2C接口

7.1 系統配置

I2C總線是一個多控制器總線，MAX77847在I2C總線上作為目標設備，既可以作為發送器也可以作為接收器。I2C總線由雙向串行數據線（SDA）和串行時鐘（SCL）組成，是一個開漏總線，SDA和SCL需要上拉電阻（500Ω或更大）。可選的24Ω電阻串聯在SDA和SCL上，有助于保護設備輸入免受總線上的高壓尖峰影響，同時減少串擾和總線線路上的下沖。

7.2 通信協議

• 寫入單個寄存器：控制器發送START條件，然后發送7位目標地址和寫位（R/ (bar{W} = 0) ），目標設備確認后，控制器發送8位寄存器指針和數據字節，目標設備再次確認后，數據字節在SCL上升沿加載到目標寄存器并生效。最后，控制器發送STOP條件或REPEATED START條件。
• 寫入順序寄存器：與寫入單個寄存器類似，但控制器在收到第一個數據字節后繼續寫入，直到完成所有數據的寫入，然后發送STOP或REPEATED START條件。
• 讀取單個寄存器：控制器發送START條件，發送7位目標地址和寫位，目標設備確認后，發送8位寄存器指針，再發送REPEATED START命令，發送7位目標地址和讀位，目標設備確認后，將指定寄存器位置的8位數據放在總線上，控制器發送NOT - ACKNOWLEDGE，最后發送STOP條件或REPEATED START條件。
• 讀取順序寄存器：與讀取單個寄存器類似，但控制器在收到數據后發送ACKNOWLEDGE以表示需要更多數據，直到獲取所有數據后發送NOT - ACKNOWLEDGE和STOP條件。

八、應用信息

8.1 輸入電容選擇

使用2x 10V、X7R、10μF的標稱輸入電容（ (C{IN}) ）旁路IN引腳。較大的電容值可以提高降壓 - 升壓調節器的去耦能力，并過濾系統中的開關噪聲。在降壓模式下，輸入電容的RMS電流額定值需要高于 [I{RMS}=sqrt {Dtimes(1 - D)× I{o}^{2}+(D× dI^{2}/12)}] ，其中 (dI) 是電感電流紋波，D是占空比， (I{o}) 是負載電流。必要時可考慮使用多個電容并聯以滿足該規格。

8.2 輸出電容選擇

最小有效輸出電容為4.7μF，以確保小的輸出紋波和降壓 - 升壓調節器的穩定運行。在選擇輸出電容時，需要仔細考慮電容的初始公差、溫度變化和直流偏置電壓的降額。推薦大多數應用使用16V、22μF的陶瓷電容，X7R電介質的陶瓷電容具有更好的有效電容和電容公差，能適應偏置電壓和溫度的變化。典型應用電路使用2 x 10μF、10V、X7R電容。

8.3 電感選擇

MAX77847的電流傳感電路和補償環路針對1μH電感進行了優化。推薦選擇飽和電流大于或等于峰值電流限制設置（ILIM），并且RMS電流額定值基于給定最大負載電流下預期的連續峰值電感電流的電感。較低的DCR可以提高降壓 - 升壓效率。表3列出了不同ILIM選項的推薦電感。

8.4 PCB布局指南

• 輸入電容 (C{IN}) 和輸出電容 (C{OUT}) 應分別緊鄰IC的IN引腳和OUT引腳放置，電容的接地引腳與IC的PGND引腳之間的走線應通過組件安裝層進行布線，以最小化走線寄生效應。走線應盡可能短而寬。
• 電感應緊鄰LX凸點/引腳放置，電感走線應通過過孔進行布線，LX凸點/引腳與電感之間的走線應短而寬，以最小化PCB走線阻抗。必要時可在多層上布線LX走線以進一步降低阻抗，同時避免LX走線占用過多面積。
• PCB的低阻抗接地平面應優先位于IC、 (C{OUT}) 、 (C{IN}) 和電感的正下方，避免切割該接地平面，以免中斷開關電流環路。
• AGND應小心連接到PCB低阻抗接地平面上的PGND，遠離任何關鍵環路。
• IC的BIAS引腳需要與IN相同的電源輸入，應使用專用電容（CBIAS）盡可能靠近IC進行旁路，并通過專用走線連接CBIAS和BIAS凸點/引腳，避免直接連接到最近的IN凸點/引腳而不進行專用旁路。
• OUTS凸點/引腳應通過專用走線連接到調節點，遠離LX1和LX2等噪聲網絡。
• 電源走線和負載連接應短而寬，以確保高轉換器效率。
• 不要忽視陶瓷電容的直流電壓降額，應仔細選擇電容值和封裝尺寸。

九、總結

MAX77847作為一款高性能的降壓 - 升壓轉換器，具有寬輸入輸出電壓范圍、超低靜態電流、靈活的工作模式和完善的保護功能等優點。在實際設計中，合理選擇外部組件（如電容、電感）和優化PCB布局，可以充分發揮其性能優勢，為各種電池供電應用提供穩定、高效的電源解決方案。電子工程師們在使用MAX77847時，需要根據具體的應用需求，仔細配置芯片的參數和外部電路，以實現最佳的系統性能。大家在實際應用中有沒有遇到過類似芯片的使用問題呢？歡迎在評論區分享交流。