MAX77642/MAX77643：低功耗應用的高效電源管理解決方案

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

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一、產品概述

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

1.1 產品差異

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可編程，而MAX77643則通過 (I^{2} C) 接口進行單獨編程，并且還包含兩個具有備用模式的通用輸入輸出（GPIO）引腳以及一個看門狗定時器，為系統提供了更高的可擴展性和安全性。

1.2 應用領域

該產品適用于多種低功耗應用場景，包括下一代可聽設備、健身與健康活動監測器、安全與安保監測器以及便攜式消費設備等。

二、產品特性與優勢

2.1 高度集成

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

2.2 超低功耗SIMO

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

2.3 靈活可配置

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

2.4 小尺寸封裝

采用4.24mm2的晶圓級封裝（WLP），25個凸點，間距為0.4mm，呈5 x 5陣列，節省了電路板空間。

三、關鍵技術細節

3.1 全局資源

3.1.1 電壓監測器

通過三個比較器（POR、UVLO和OVLO）監測系統電壓（VSYSA），確保設備在不同電壓條件下的正常運行。這些比較器具有遲滯功能，可防止在系統電壓波動時輸出狀態頻繁切換。

• POR比較器：在電源上電時生成復位信號，確保設備在電壓穩定后正常啟動。
• UVLO比較器：當VSYSA低于欠壓鎖定閾值時，生成SYSAUVLO信號，通知頂層數字控制器采取相應措施。
• OVLO比較器：當電源電壓超過過壓鎖定閾值時，禁止設備運行，提高了設備在異常電壓環境下的可靠性。

3.1.2 熱監測器

當結溫達到145°C時，設備自動關機，保護設備免受過熱損壞。

3.1.3 手動復位和喚醒事件

nEN輸入可用于手動復位設備，并且在輸入斷言時可觸發喚醒事件，使設備從關機狀態恢復運行。

3.1.4 中斷處理和GPIO

中斷輸出（nIRQ）可將設備的重要狀態變化通知給主機處理器，所有中斷均可屏蔽。兩個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，為系統提供了更多的控制和通信方式。

3.2 SIMO降壓 - 升壓調節器

3.2.1 工作原理

采用單電感多輸出架構，通過一個電感為三個輸出通道提供電源。該調節器可根據輸入和輸出電壓的關系，自動在降壓、升壓和降壓 - 升壓模式之間切換，以實現高效的電源轉換。

3.2.2 輸出電壓和峰值電流配置

每個輸出通道的電壓和峰值電流均可獨立配置。MAX77642通過連接相應的電阻到GND來設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現。

3.2.3 軟啟動功能

通過限制輸出電壓的上升速率，減少了啟動時的浪涌電流，保護了設備和電池。

3.2.4 降壓和升壓模式（MAX77643）

當輸入電壓始終高于或低于輸出電壓時，可將單個通道配置為降壓或升壓模式，以進一步提高效率。在降壓模式下，僅切換兩個開關，減少了開關損耗；在升壓模式下，同樣通過減少開關切換次數和降低電感電流，提高了效率。

3.3 低壓差線性穩壓器（LDO）/負載開關（LSW）

3.3.1 輸出電壓配置

MAX77642通過連接電阻到GND來設置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現。

3.3.2 軟啟動和有源放電功能

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

3.3.3 負載開關配置

LDO可配置為負載開關，通過控制輸出電壓的下降速率，實現從LDO模式到負載開關模式的平滑過渡。

3.4 (I^{2} C) 串行通信

3.4.1 通信協議

支持 (I^{2} C) 修訂版3.0的串行通信協議，時鐘頻率范圍為0Hz至3.4MHz，包括標準模式、快速模式、快速模式加和高速模式。

3.4.2 數據傳輸和地址配置

通過SDA和SCL兩條線進行數據傳輸，每個數據傳輸序列由START和STOP條件框定，每個數據字節后跟隨一個確認位。設備的 (I^{2} C) 從地址可通過工廠一次性可編程（OTP）選項進行配置，以避免總線沖突。

3.4.3 高速模式

通過特定的協議可進入高速模式，使總線運行速度可達3.4MHz，提高了數據傳輸效率。

四、設計建議

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的電感在大多數設計中表現最佳。電感的飽和電流應大于或等于所有SIMO通道的最大峰值電流限制，RMS電流額定值應根據系統的預期負載電流進行選擇。

4.1.2 電容選擇

• 輸入電容：選擇10μF的輸入旁路電容，其ESR/ESL應非常低，建議使用X5R或X7R介質的陶瓷電容。
• 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：根據目標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應很低，同樣建議使用X5R或X7R介質的陶瓷電容。

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。對于開關調節器的電容（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

使用寬而連續的銅平面連接PGND和電容接地，確保噪聲不會從功率地進入模擬地。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

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勢，為低功耗應用提供了全面而高效的電源管理解決方案。在設計過程中，合理選擇元件和優化PCB布局，能夠充分發揮該產品的性能，滿足不同應用場景的需求。電子工程師們在開發下一代可聽設備、健身監測器、安全設備和便攜式消費設備等產品時，不妨考慮采用MAX77642/MAX77643來實現長電池續航和穩定的電源供應。大家在實際應用中是否遇到過類似產品的其他問題呢？歡迎在評論區分享交流。