MAX77813：高效的5.5V輸入、2A降壓 - 升壓轉換器

在如今的電子設備設計中，電源管理芯片的性能和效率至關重要。今天我們要介紹的是Analog Devices公司的MAX77813，一款專為單節Li?/Li - ion電池供電應用設計的高效降壓 - 升壓轉換器。

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一、產品概述

MAX77813是一款同步升降壓（buck - boost）DC - DC轉換器，內置開關。它能在2.3V至5.5V的輸入電壓范圍內工作，輸出電壓可通過I2C在2.60V至5.14V之間以20mV的步長進行配置，工廠默認啟動電壓選項有3.3V、3.4V和4.56V。該器件支持升壓模式下高達2A的輸出電流和降壓模式下高達3A的輸出電流，并且能在降壓和升壓模式之間無縫切換。

二、應用場景

2.1 單節Li?/Li - ion電池供電設備

由于其輸入電壓范圍適合單節鋰電池的輸出特性，MAX77813可廣泛應用于各種由單節Li?/Li - ion電池供電的設備，如手持掃描儀、移動支付終端和安全攝像頭等。這些設備通常對電源的效率和穩定性有較高要求，MAX77813正好能滿足這些需求。

2.2 AR/VR頭戴設備

在AR/VR頭戴設備中，需要穩定的電源來保證設備的正常運行。MAX77813的高效性能可以減少電池的功耗，延長設備的續航時間，同時其小尺寸封裝也適合集成到緊湊的頭戴設備中。

三、特性與優勢

3.1 寬輸入輸出電壓范圍

輸入電壓范圍為2.30V至5.5V，輸出電壓范圍為2.60V至5.14V（通過I2C以20mV步長可編程），這使得它能適應多種不同的電源和負載需求。

3.2 高輸出電流能力

在升壓模式下（(V{IN}=3.0V)，(V{OUT}=3.4V)，ILIM = High）可提供高達2A的輸出電流，降壓模式下（ILIM = High）可提供高達3A的輸出電流，能滿足大多數設備的功率需求。

3.3 高效率

峰值效率高達97%，并且具有SKIP模式，可在輕載時實現最佳效率，典型靜態電流低至55μA。

3.4 保護特性

具備軟啟動、熱關斷、過壓保護和過流保護等功能，能有效保護設備免受異常情況的損害，提高系統的可靠性。

3.5 小尺寸封裝

采用2.13mm x 1.83mm的20 - bump晶圓級封裝（WLP），節省了電路板空間，適合小型化設備的設計。

四、電氣特性

4.1 降壓 - 升壓電氣特性

在不同的輸入電壓、輸出電壓和溫度條件下，MAX77813都有明確的電氣參數。例如，輸入電壓范圍為2.30V至5.5V，關機電源電流在不同溫度下有不同的值，輸出電壓精度在不同模式下也有所差異。

4.2 I2C電氣特性

支持I2C串行接口，時鐘頻率可在0Hz至3.4MHz之間，不同的總線速度有不同的時序要求。在標準模式、快速模式、快速模式加和高速模式下，對時鐘頻率、建立時間、保持時間等都有相應的規定。

五、工作原理

5.1 降壓 - 升壓控制方案

采用2.5MHz固定頻率脈沖寬度調制（PWM）控制方案和電流模式補償，利用H橋拓撲結構，通過一個電感和輸出電容實現降壓和升壓功能。H橋拓撲有三個開關階段，根據輸入和輸出電壓的關系，在不同的階段進行能量的存儲和釋放，從而實現電壓的轉換。

5.2 使能控制

通過EN引腳控制降壓 - 升壓輸出的開啟和關閉。EN引腳有一個800kΩ（典型值）的內部下拉電阻到AGND，可通過I2C接口清除EN_PD位來禁用內部下拉電阻。

5.3 峰值電感電流限制選擇

通過ILIM引腳選擇電感開關電流限制。將ILIM引腳拉高可設置電感開關電流限制為4.5A（典型值），拉低可設置為1.8A（典型值）。在軟啟動和突發模式下，電感電流限制會自動調整。

5.4 軟啟動

在啟動延遲（tON_DLY）后，通過降低峰值電感電流限制（ILIM_LX）來實現軟啟動，控制啟動時的浪涌電流，防止上游源阻抗引起的電壓下降。

5.5 突發模式

用于處理短時間的重載瞬變（突發負載）。當重載瞬變需要的峰值電感電流超過ILIM_LX時，降壓 - 升壓會暫時將峰值電感電流限制提高到ILIM_LX_HIGH。如果重載持續時間超過800μs（典型值），突發模式將停用，峰值電感電流限制恢復到ILIM_LX。

5.6 電源正常（POK）輸出

用于監測輸出電壓，需要一個外部上拉電阻（通常為10kΩ至100kΩ）。默認情況下POK為高電平有效，可通過POK_POL位改變其極性。當降壓 - 升壓輸出達到目標調節電壓的80%時，POK變為高電平；當輸出降至目標的75%以下或降壓 - 升壓被禁用時，POK變為低電平。

5.7 輸出電壓選擇和斜率控制

通過I2C寫入VOUT[6:0]位域來配置目標輸出電壓，范圍為2.60V至5.14V，步長為20mV。當輸出電壓目標改變時，輸出電壓會以RU_SR（20mV/μs或40mV/μs）的速率上升，以RD_SR（5mV/μs或10mV/μs）的速率下降。

5.8 輸出過壓保護（OVP）

內部有過壓保護電路，當輸出電壓超過OVP_TH[1:0]位域設置的過壓閾值時，降壓 - 升壓會禁用?？赏ㄟ^I2C將OVP_TH[1:0]編程為0b00來禁用OVP，默認過壓閾值為目標VOUT的120%。

5.9 熱關斷

內部有熱保護電路，當芯片溫度超過TSHDN（典型值為+165°C）時，降壓 - 升壓會禁用；當芯片溫度冷卻約20°C后，降壓 - 升壓會再次啟用。

六、應用信息

6.1 電感選擇

對于ILIM = HIGH，應選擇飽和電流為7A或更高的1μH電感；對于ILIM = LOW，應選擇飽和電流為3.4A或更高的1μH電感。文檔中推薦了一些具體的電感型號，如TDK的TFM201610GHM - 1ROMTAA、TOKO的DFE322512C和Coilcraft的XAL4020 - 102MEB。

6.2 輸入電容選擇

輸入電容（(C_{IN})）應選擇10μF的陶瓷電容，且在工作電壓下能保持至少2μF的有效電容。陶瓷電容具有小尺寸、低ESR和小溫度系數的優點，推薦使用X5R或X7R介質的電容。

6.3 輸出電容選擇

為了保持輸出電壓紋波小和調節環路穩定，輸出電容（(C_{OUT})）的有效電容應至少為16μF。對于大多數應用，推薦使用47μF、10V的電容。同樣，陶瓷電容是較好的選擇，需考慮其直流偏置特性和有效電容值。

6.4 PCB布局指南

PCB布局對于實現低開關功率損耗和穩定運行至關重要。需要使用高密度互連（HDI）PCB，并遵循以下指南：

• 將輸入電容和輸出電容分別放置在IC的IN引腳和OUT引腳旁邊，以最小化輸入和輸出電流環路中的寄生電感。
• 將電感放置在靠近LX焊盤的位置，并使LX焊盤和電感之間的走線短而寬，以減少PCB走線阻抗。
• 優先考慮在IC、(C{OUT})、(C{IN})和電感下方設置低阻抗接地平面。
• 將AGND小心地連接到PCB低阻抗接地平面上的PGND。
• 為IC提供安靜的電源輸入（SYS），并使用專用電容（(C_{SYS})）進行旁路。
• 將FB焊盤通過專用走線連接到調節點，遠離嘈雜的網絡。
• 保持電源走線和負載連接短而寬，以提高轉換器效率。
• 注意陶瓷電容的直流電壓降額，仔細選擇電容值和封裝尺寸。

七、I2C串行接口

7.1 接口概述

MAX77813具有一個兼容I2C 3.0版本的2線串行接口，由雙向串行數據線（SDA）和串行時鐘線（SCL）組成。它是一個僅作為從設備的器件，依賴外部總線主設備生成SCL。支持0Hz至3.4MHz的SCL時鐘速率，I2C是開漏總線，SDA和SCL需要上拉電阻（500Ω或更大）。

7.2 通信協議

支持多種通信協議，包括單寄存器寫入、順序寄存器寫入、單寄存器讀取和順序寄存器讀取。在不同的協議中，主設備和從設備之間通過發送和接收特定的信號和數據來完成通信。例如，在單寄存器寫入協議中，主設備先發送起始條件、7位從設備地址和寫位，從設備確認后，主設備再發送8位寄存器指針和數據字節，最后發送停止條件或重復起始條件。

7.3 高速模式

要進入高速模式，需要在總線速度為1MHz或更低時開始協議，主設備發送特定的8位主代碼，從設備發出非確認信號，之后主設備可以將總線速度提高到3.4MHz并進行讀寫操作。

八、寄存器映射

8.1 寄存器復位條件

當出現欠壓鎖定（VSYS < VUVLO_F）或設備禁用（EN引腳為邏輯低）時，寄存器會復位到默認值。

8.2 寄存器詳情

• DEVICE_ID（0x00）：只讀寄存器，包含保留位，用于內部使用。
• STATUS（0x01）：只讀寄存器，包含熱關斷狀態、電源正常狀態、輸出過壓狀態和過流狀態等信息。
• CONFIG1（0x02）：可讀寫寄存器，用于配置輸出電壓上升和下降的斜率、過壓保護閾值、輸出有源放電電阻啟用和轉換器模式等。
• CONFIG2（0x03）：可讀寫寄存器，用于控制降壓 - 升壓輸出的軟件啟用、EN引腳輸入下拉電阻的啟用和電源正常（POK）輸出引腳的極性等。
• VOUT（0x04）：可讀寫寄存器，用于設置輸出電壓目標，范圍為2.60V至5.14V，以20mV為步長。

九、總結

MAX77813是一款功能強大、性能高效的降壓 - 升壓轉換器，適用于多種單節Li?/Li - ion電池供電的應用場景。其豐富的特性和靈活的配置選項，使得工程師在設計電源管理電路時能夠根據具體需求進行優化。在實際應用中，正確選擇電感、電容等外部元件，并遵循合理的PCB布局指南，將有助于充分發揮MAX77813的性能，提高系統的穩定性和可靠性。你在使用MAX77813的過程中遇到過哪些問題呢？歡迎在評論區分享你的經驗和見解。