MAX77680/MAX77681：高效3輸出SIMO降壓-升壓調節器的設計與應用

在當今的電子設備設計中，對于小型化、低功耗和高效電源管理的需求日益增長。MAX77680/MAX77681作為一款3輸出單電感多輸出（SIMO）降壓 - 升壓調節器，憑借其出色的性能和豐富的功能，為低功耗應用提供了高度集成的電源解決方案。

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一、產品簡介

MAX77680/MAX77681是一款3通道SIMO降壓 - 升壓調節器，僅需3μA的靜態電流（IQ）即可調節三個獨立的電壓軌。它在2.7V至5.5V的輸入電源下工作，輸出電壓可根據訂購選項在0.8V至5.25V之間獨立編程。每個輸出都是降壓 - 升壓型，在降壓和升壓操作之間實現無干擾過渡，并且能夠支持>300mA的負載（1.8VOUT，3.7VIN）。

（一）主要特性

1. 延長電池壽命：單電感多輸出（SIMO）架構取代了低效的LDO，提高了電池使用壽命，同時在效率上與傳統單輸出降壓調節器相競爭。
2. 低功耗：關機電流僅300nA，工作靜態電流為3.0μA（3個SIMO通道開啟），有效降低了整體功耗。
3. 高效與小型化：提高了整體系統效率，同時減小了尺寸，總解決方案尺寸僅為15.5 (mm^{2})。
4. 靈活的電源排序：集成了靈活的電源排序器（FPS），可控制每個輸出的上電/下電順序，默認輸出電壓和順序可在工廠進行編程，還可通過 (I^{2} C) 串行接口進一步配置。
5. 無干擾降壓 - 升壓操作：在降壓、降壓 - 升壓和升壓模式之間實現無干擾過渡，確保穩定的電源輸出。

（二）應用領域

1. 可聽設備：如藍牙耳機和耳塞。
2. 可穿戴設備：包括健身、健康和活動監測器。
3. 運動相機和可穿戴/身體相機。
4. 低功耗物聯網設備。

二、技術細節

（一）絕對最大額定值

在設計過程中，必須嚴格遵守器件的絕對最大額定值，以確保器件的安全和可靠性。例如，nEN、PWR_HLD、nIRQ、nRST到GND的電壓范圍為 - 0.3V至VSYS + 0.3V，SCL、SDA到GND的電壓范圍為 - 0.3V至VIO + 0.3V等。

（二）電氣特性

1. 頂級電氣特性：包括工作電壓范圍、關機電源電流、靜態電源電流、上電復位（POR）閾值、欠壓鎖定（UVLO）閾值、過壓鎖定（OVLO）閾值等。例如，工作電壓范圍為2.7V至5.5V，關機電源電流在不同模式下有所不同，靜態電源電流在不同偏置模式下也有差異。
2. SIMO降壓 - 升壓電氣特性：輸出電壓范圍、輸出電壓精度、定時特性、功率級特性等。不同通道的輸出電壓范圍有所不同，如SBB0的輸出電壓范圍為0.8V至2.375V（MAX77680），輸出電壓精度在不同溫度下有一定的波動。
3. (I^{2} C) 串行接口電氣特性：包括VIO電壓范圍、VIO偏置電流、SDA和SCL的輸入輸出特性、時鐘頻率等。支持0Hz至3.4MHz的SCL時鐘速率，不同模式下的接口時序有相應的要求。

（三）典型工作特性

通過典型應用電路的測試，得到了一系列的工作特性曲線，如關機電源電流與電池電壓的關系、靜態電源電流與電池電壓和溫度的關系、SIMO效率與輸出電流的關系、SIMO負載調節與輸出電流的關系等。這些曲線可以幫助工程師更好地了解器件在不同條件下的性能，從而進行合理的設計。

（四）引腳配置與功能

器件采用30引腳晶圓級封裝（WLP），每個引腳都有特定的功能。例如，PWR_HLD是高電平有效電源保持輸入，nEN是低電平有效使能輸入，SDA和SCL是 (I^{2} C) 數據和時鐘線，nRST是低電平有效、開漏復位輸出等。

（五）詳細工作原理

1. 電壓監測：包括SYS POR比較器、SYS欠壓鎖定比較器和SYS過壓鎖定比較器。這些比較器可以監測系統電壓，確保器件在合適的電壓范圍內工作。
2. nEN使能輸入：nEN是一個內部去抖的低電平有效數字輸入，通常來自系統的開機鍵。它可以配置為按鈕模式或滑動開關模式，用于啟動SIMO的喚醒信號。
3. 中斷（nIRQ）：nIRQ是一個低電平有效、開漏輸出，用于向主機處理器發送器件狀態的重要變化信號。
4. 復位輸出（nRST）：nRST是一個開漏、低電平有效輸出，用于在器件斷電時將處理器保持在復位狀態。
5. 電源保持輸入（PWR_HLD）：PWR_HLD是一個高電平有效數字輸入，用于保持電源處于開啟狀態。
6. 開關控制器：開關控制器監測多個上電和斷電條件，以啟用或禁用SIMO通道。它可以通過硬件（開機鍵）輸入或 (I^{2} C) 接口來控制SIMO的開啟和關閉。
7. 靈活的電源排序器（FPS）：FPS允許SIMO通道在硬件或軟件控制下上電，每個通道可以獨立或一起上電，并具有可調節的上電和斷電延遲。

（六）SIMO降壓 - 升壓詳細描述

1. 架構與優勢：采用微功耗單電感多輸出（SIMO）降壓 - 升壓DC - DC轉換器，使用單個電感調節三個獨立輸出，節省了電路板空間，同時提供了比等效的降壓和線性調節器更好的系統效率。
2. 控制方案：SIMO降壓 - 升壓設計用于同時為多個輸出提供服務，專有控制器確保所有輸出都能及時得到服務。當沒有調節器需要服務時，狀態機處于低功耗休息狀態。
3. 軟啟動：軟啟動功能通過限制啟動期間輸出電壓的斜率來限制浪涌電流，減少了啟動時的輸入電流沖擊。
4. 輸出電壓配置：每個SIMO降壓 - 升壓通道都有一個專用寄存器，用于編程其目標輸出電壓和峰值電流限制，還可以控制有源放電電阻的啟用和禁用。
5. 有源放電電阻：每個通道都有一個有源放電電阻，根據ADE_SBBx和SIMO調節器的狀態自動啟用或禁用，有助于確保系統外設的完全和及時斷電。
6. 效率：效率隨電感選擇、峰值電感電流、驅動強度和輸入輸出電壓比而變化，每個通道的效率性能相同。
7. 可用輸出電流：給定SIMO通道的可用輸出電流是輸入電壓、輸出電壓、峰值電流限制設置和其他SIMO通道輸出電流的函數。

（七）元件選擇

1. 電感選擇：建議選擇1.0μH至2.2μH的電感，大多數設計推薦1.5μH。電感的飽和電流應大于或等于所有SIMO降壓 - 升壓通道使用的最大峰值電流限制設置，RMS電流額定值應根據系統的預期負載電流來選擇。
2. 輸入電容選擇：使用最小10μF的陶瓷電容（CIN_SBB）旁路IN_SBB到GND，建議使用X5R或X7R介質的陶瓷電容，其ESR/ESL應非常低。
3. 升壓電容選擇：選擇3.3nF的升壓電容（CBST），推薦使用0201或0402封裝的陶瓷電容。
4. 輸出電容選擇：根據所需的輸出電壓紋波選擇每個輸出旁路電容（CSBBx），通常為10μF。電容的阻抗應非常低，建議使用X5R或X7R介質的陶瓷電容。

（八）PCB布局

良好的PCB布局對于實現最佳性能至關重要。應盡量減少SIMO輸入電容環路和輸出電容環路的寄生電感，使用寬走線連接電感以減小電阻，但不要使走線過大，以免增加噪聲耦合。可以參考MAX77680/MAX77681評估套件（MAX77680EVKIT#）的PCB布局。

三、應用電路

（一）使用硬件開機鍵啟用的SIMO調節器

該電路通過系統的開機鍵（nEN）來啟動SIMO調節器，適合需要硬件控制的應用場景。

（二）使用軟件啟用控制的SIMO調節器

該電路通過 (I^{2} C) 接口來控制SIMO調節器的開啟和關閉，適合需要軟件靈活控制的應用場景。

四、設計建議與注意事項

1. 在設計過程中，要嚴格遵守器件的絕對最大額定值，避免因過壓、過流等情況導致器件損壞。
2. 合理選擇電感、電容等元件，根據具體的應用需求和性能要求進行優化。
3. 注意PCB布局，減少寄生電感和噪聲耦合，確保系統的穩定性和可靠性。
4. 對于未使用的SIMO輸出，不要讓其懸空，應根據具體情況進行處理，如連接到地、電源輸入或其他電源輸出。

MAX77680/MAX77681為低功耗應用提供了一個高效、靈活的電源管理解決方案。通過深入了解其技術細節和應用要求，工程師可以更好地進行設計，實現系統的最佳性能。在實際設計中，你是否遇到過類似電源管理芯片的應用挑戰呢？歡迎在評論區分享你的經驗和見解。