MAX77640/MAX77641：超低壓功耗PMIC的卓越之選

引言

在當今電子設備追求小型化、低功耗和高效能的時代，電源管理集成電路（PMIC）的性能顯得尤為關鍵。MAX77640/MAX77641作為一款超低壓功耗的PMIC，為眾多對尺寸和效率要求苛刻的應用提供了理想的解決方案。本文將深入剖析這款PMIC的特性、應用場景以及設計要點，幫助電子工程師更好地了解和應用該產品。

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產品概述

MAX77640/MAX77641是一款專為對尺寸和效率有嚴格要求的應用而設計的低IQ電源解決方案。它集成了一個3輸出單電感多輸出（SIMO）降壓 - 升壓調節器、一個150mA的低壓差線性穩壓器（LDO）以及一個3通道電流吸收驅動器。該器件采用30凸點晶圓級封裝（WLP），總解決方案尺寸僅為16mm2，非常適合空間受限的應用。

應用場景

• 可聽設備：如藍牙耳機和耳塞，對電源的尺寸和功耗要求極高，MAX77640/MAX77641能夠滿足其低功耗和小尺寸的需求。
• 可穿戴設備：包括健身、健康和活動監測器等，需要長時間的電池續航能力，該PMIC的低靜態電流和高效能特性有助于延長設備的使用時間。
• 運動相機和可穿戴相機：在保證高性能的同時，對電源的穩定性和效率也有較高要求，MAX77640/MAX77641可以提供穩定的電源輸出。
• 物聯網設備：各種物聯網小工具對電源的尺寸、功耗和效率都有嚴格的要求，這款PMIC能夠滿足其多樣化的需求。

產品特性與優勢

緊湊高效的電源解決方案

• 3輸出單電感多輸出（SIMO）降壓 - 升壓調節器：SIMO調節器能夠在2.7V至5.5V的輸入電壓范圍內工作，輸出電壓可在0.8V至5.25V之間獨立編程，每個輸出都具備降壓 - 升壓功能，且在降壓和升壓操作之間實現無干擾過渡。該調節器能夠支持超過300mA的負載（1.8VOUT，3.7VIN），有效延長了電池壽命。
• 150mA LDO：為對噪聲敏感的應用提供紋波抑制功能，確保電源的穩定性和純凈度。
• 3通道電流吸收驅動器：可通過編程實現LED的自定義閃爍模式，滿足不同的顯示需求。
• 靈活的電源排序：集成了電源排序器，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I2C串行接口進一步配置。

低靜態電流

• 關機電流：僅為300nA，有效降低了設備在待機狀態下的功耗。
• 工作電流：當3個SIMO通道和LDO都開啟時，工作電流僅為5.6μA，顯著提高了系統的整體效率。

小尺寸封裝

采用2.75mm x 2.15mm（最大高度0.7mm）的30凸點WLP封裝，0.4mm間距，6 x 5陣列，總解決方案尺寸僅為16mm2，非常適合對空間要求苛刻的應用。

電氣特性分析

頂級電氣特性

• 工作電壓范圍：VSYS為2.7V至5.5V，能夠適應不同的電源輸入。
• 關機電源電流：在不同工作模式下，關機電源電流在0.3μA至28μA之間，體現了其低功耗的特性。
• 靜態電源電流：在不同工作模式下，靜態電源電流在5.6μA至60μA之間，確保了系統在正常工作時的低功耗。
• 電源復位（POR）：POR閾值為1.6V至2.1V，具有100mV的滯后，保證了系統在電源上電時的穩定性。
• 欠壓鎖定（UVLO）：UVLO閾值可根據不同的配置在2.5V至2.95V之間調整，具有300mV的滯后，防止系統在欠壓情況下工作。
• 過壓鎖定（OVLO）：OVLO閾值為5.70V至6.00V，確保系統在過壓情況下的安全性。
• 熱監測：過溫鎖定閾值為165°C，熱報警溫度分別為80°C和100°C，具有15°C的滯后，保護系統免受過熱損壞。

SIMO降壓 - 升壓電氣特性

• 輸出電壓范圍：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，SBB1和SBB2的輸出電壓范圍根據不同型號有所差異。
• 靜態輸出電壓精度：在不同溫度條件下，輸出電壓精度在±2.5%至±4.0%之間，保證了輸出電壓的穩定性。
• 定時特性：使能延遲為60μs，軟啟動斜率為3.3mV/μs至6.6mV/μs，確保了系統在啟動時的平穩性。
• 功率級特性：LXA、LXB和BST的泄漏電流在不同溫度條件下均控制在較低水平，保證了系統的效率。

LDO電氣特性

• 輸入電壓：輸入電壓范圍為1.8V至5.5V，能夠適應不同的電源輸入。
• LDO關機電流：最大為1μA，降低了系統在關機狀態下的功耗。
• LDO靜態電源電流：在不同工作條件下，靜態電源電流在1.7μA至5.15μA之間，確保了系統在正常工作時的低功耗。
• 最大輸出電流：為150mA，能夠滿足大多數應用的需求。
• 電流限制：典型電流限制為255mA，提供了短路保護功能。
• 輸出電壓范圍：輸出電壓可在1.35V至2.9375V之間以12.5mV的步長進行編程，滿足不同的應用需求。
• 靜態特性：初始輸出電壓精度在±2.5%以內，輸出電壓精度在±3%以內，保證了輸出電壓的穩定性。
• 定時特性：使能延遲為0.6ms至1.25ms，軟啟動斜率為0.5mV/μs至2.50mV/μs，確保了系統在啟動時的平穩性。
• 功率級特性：壓降電壓為90mV至180mV，壓降導通電阻在不同溫度條件下有所差異，保證了系統的效率。

電流吸收器電氣特性

• 電流吸收器靜態電流：當一個通道開啟并提供12.8mA電流時，供應電流的變化在6μA至12μA之間。
• 電流吸收器泄漏電流：在不同溫度條件下，所有電流吸收驅動器組合的泄漏電流控制在較低水平。
• 不同電流范圍的特性：在3.2mA、6.4mA和12.8mA的電流范圍內，最小吸收電流、最大吸收電流、電流吸收器DAC位數和電流吸收器DAC LSB等參數都有明確的規定，確保了電流吸收器的精確控制。
• 定時特性：根時鐘頻率為25.6Hz至38.4Hz，閃爍周期可在0.5s至8s之間進行編程，閃爍占空比可在6.25%至100%之間進行編程，滿足不同的顯示需求。

I2C串行接口電氣特性

• 電源供應：VIO電壓范圍為1.7V至3.6V，能夠適應不同的電源輸入。
• SDA和SCL I/O級：輸入高電壓、輸入低電壓、輸入滯后、輸入泄漏電流、輸出低電壓、引腳電容等參數都有明確的規定，確保了I2C接口的穩定性和可靠性。
• I2C兼容接口定時：在不同的工作模式下，時鐘頻率、保持時間、SCL低周期、SCL高周期、設置時間、數據保持時間、數據設置時間、停止條件設置時間、總線空閑時間等參數都有明確的規定，保證了I2C通信的準確性和穩定性。

典型工作特性

通過一系列的圖表展示了該PMIC在不同條件下的典型工作特性，包括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負載調節的關系等。這些特性有助于工程師更好地了解該PMIC在實際應用中的性能表現，從而進行合理的設計和優化。

引腳配置與功能

引腳配置

MAX77640/MAX77641采用30凸點WLP封裝，引腳配置包括PWR_HLD、nEN、SDA、SCL、GPIO、nRST、nIRQ、SYS、GND、VIO、LDO、IN_LDO、LED0、LED1、LED2、LGND、IN_SBB、SBB0、SBB1、SBB2、BST、LXA、LXB、PGND等。

引腳功能

• PWR_HLD：高電平有效電源保持輸入，用于保持電源開啟狀態。
• nEN：低電平有效使能輸入，支持按鈕或滑動開關配置，用于喚醒PMIC。
• SDA和SCL：I2C數據和時鐘線，用于與外部設備進行通信。
• GPIO：通用輸入/輸出引腳，可配置為推挽或開漏模式，增加系統的靈活性。
• nRST：低電平有效、開漏復位輸出，用于在設備斷電時保持處理器處于復位狀態。
• nIRQ：低電平有效、開漏中斷輸出，用于向主機處理器發送設備狀態變化的信號。
• SYS：系統電源輸出，為系統資源和設備控制邏輯提供電源。
• GND：安靜接地，連接到PGND、LGND和PCB的低阻抗接地平面。
• VIO：I2C接口和GPIO驅動器電源。
• LDO：線性穩壓器輸出，可用于為音頻、傳感器等對噪聲敏感的應用提供電源。
• IN_LDO：線性穩壓器輸入。
• LED0、LED1、LED2：電流吸收端口，用于驅動LED。
• LGND：電流吸收接地，連接到GND、PGND和PCB的低阻抗接地平面。
• IN_SBB：SIMO電源輸入，連接到SYS并通過一個22μF陶瓷電容旁路到PGND。
• SBB0、SBB1、SBB2：SIMO降壓 - 升壓輸出，分別為SIMO的三個通道提供電源。
• BST：SIMO高端輸出NMOS驅動器的電源輸入，通過一個3300pF陶瓷電容連接到LXB。
• LXA和LXB：開關節點，分別連接到一個1.5μH電感，用于SIMO的開關操作。
• PGND：SIMO低端FET的電源接地，連接到GND、LGND和PCB的低阻抗接地平面。

設計要點

SIMO設計要點

• 輸出電流計算：SIMO通道的可用輸出電流取決于輸入電壓、輸出電壓、峰值電流限制設置和其他SIMO通道的輸出電流。Maxim提供了SIMO計算器來幫助工程師計算特定條件下的可用容量。
• 電感選擇：建議選擇1.0μH至2.2μH的電感，其中1.5μH的電感適用于大多數設計。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進行選擇。同時，應考慮電感的DC電阻、AC電阻和物理尺寸，選擇低AC電阻的電感以提高效率。
• 電容選擇：輸入電容應選擇最小為10μF的陶瓷電容，以提高SIMO調節器的去耦能力；升壓電容應選擇3.3nF的陶瓷電容，以確保M3的柵極驅動；輸出電容應根據所需的輸出電壓紋波進行選擇，通常為10μF，同時應注意電容的阻抗和溫度系數。
• 開關頻率：SIMO降壓 - 升壓調節器采用脈沖頻率調制（PFM）控制方案，開關頻率取決于輸入電壓、輸出電壓、負載電流和電感值。Maxim提供了SIMO計算器來幫助工程師計算開關頻率。
• 未使用輸出處理：未使用的SIMO輸出不應懸空，可通過旁路一個1μF陶瓷電容到地、連接到電源輸入或連接到另一個高于目標電壓的電源輸出等方式進行處理。

LDO設計要點

• 輸出電壓編程：LDO的輸出電壓可通過I2C在1.35V至2.9375V之間以12.5mV的步長進行編程。
• 輸入和輸出電容選擇：為了確保LDO的穩定運行，需要選擇足夠的輸入旁路電容和輸出電容。輸入電容和輸出電容的有效電容應根據應用的預期負載條件進行選擇，同時應注意電容的阻抗和溫度系數。
• 電流限制：LDO的額定輸出電流為150mA，典型電流限制為255mA，可提供短路保護功能。
• 作為負載開關使用：如果需要，LDO可以作為負載開關使用，通過將LDO輸入電源設置為所需的電壓，并將輸出電壓編程為比輸入電壓高100mV或更高。

電流吸收器設計要點

• LED分配：三個電流吸收器（LED0、LED1、LED2）是相同的，在使用RGB LED集群時，可根據PCB布局的需要進行分配。
• 未使用端口處理：如果某個電流吸收端口未使用，應將其連接到地，并通過軟件確保該端口未被啟用。

I2C串行接口設計要點

• 地址選擇：MAX77640/MAX77641支持7位從地址，OTP地址可在工廠進行編程，有兩種可選地址。
• 通信協議：支持標準的I2C通信協議，包括寫入單個寄存器、寫入多個順序寄存器、讀取單個寄存器和讀取多個順序寄存器等。

PCB布局要點

• 最小化寄生電感：在SIMO輸入電容回路和輸出電容回路中，應盡量減少寄生電感，以提高系統的效率和穩定性。
• 使用寬走線：在電感連接中，應使用寬走線以減少電阻，但不要使走線過大，以免增加噪聲耦合。
• 參考評估套件：可使用MAX77640/MAX77641評估套件作為PCB布局的參考，以實現最佳性能。

總結

MAX77640/MAX77641是一款功能強大、性能卓越的超低壓功耗PMIC，具有緊湊高效、低靜態電流、小尺寸封裝等優點。通過對其電氣特性、典型工作特性、引腳配置和設計要點的詳細分析，工程師可以更好地了解和應用該產品，為各種對尺寸和效率要求苛刻的應用提供穩定可靠的電源解決方案。在實際設計中，工程師應根據具體應用需求，合理選擇電感、電容等元件，優化PCB布局，以充分發揮該PMIC的性能優勢。

你在使用MAX77640/MAX77641的過程中遇到過哪些問題？或者對其設計要點有什么獨特的見解？歡迎在評論區分享交流。