MAX77813：高效的5.5V輸入、2A降壓 - 升壓轉(zhuǎn)換器

在如今的電子設(shè)備設(shè)計(jì)中，電源管理芯片的性能和效率至關(guān)重要。今天我們要介紹的是Analog Devices公司的MAX77813，一款專為單節(jié)Li?/Li - ion電池供電應(yīng)用設(shè)計(jì)的高效降壓 - 升壓轉(zhuǎn)換器。

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一、產(chǎn)品概述

MAX77813是一款同步升降壓（buck - boost）DC - DC轉(zhuǎn)換器，內(nèi)置開關(guān)。它能在2.3V至5.5V的輸入電壓范圍內(nèi)工作，輸出電壓可通過I2C在2.60V至5.14V之間以20mV的步長(zhǎng)進(jìn)行配置，工廠默認(rèn)啟動(dòng)電壓選項(xiàng)有3.3V、3.4V和4.56V。該器件支持升壓模式下高達(dá)2A的輸出電流和降壓模式下高達(dá)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(yīng)用場(chǎng)景

2.1 單節(jié)Li?/Li - ion電池供電設(shè)備

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

2.2 AR/VR頭戴設(shè)備

在AR/VR頭戴設(shè)備中，需要穩(wěn)定的電源來保證設(shè)備的正常運(yùn)行。MAX77813的高效性能可以減少電池的功耗，延長(zhǎng)設(shè)備的續(xù)航時(shí)間，同時(shí)其小尺寸封裝也適合集成到緊湊的頭戴設(shè)備中。

三、特性與優(yōu)勢(shì)

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(zhǎng)可編程），這使得它能適應(yīng)多種不同的電源和負(fù)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(dá)2A的輸出電流，降壓模式下（ILIM = High）可提供高達(dá)3A的輸出電流，能滿足大多數(shù)設(shè)備的功率需求。

3.3 高效率

峰值效率高達(dá)97%，并且具有SKIP模式，可在輕載時(shí)實(shí)現(xiàn)最佳效率，典型靜態(tài)電流低至55μA。

3.4 保護(hù)特性

具備軟啟動(dòng)、熱關(guān)斷、過壓保護(hù)和過流保護(hù)等功能，能有效保護(hù)設(shè)備免受異常情況的損害，提高系統(tǒng)的可靠性。

3.5 小尺寸封裝

采用2.13mm x 1.83mm的20 - bump晶圓級(jí)封裝（WLP），節(jié)省了電路板空間，適合小型化設(shè)備的設(shè)計(jì)。

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(shù)。例如，輸入電壓范圍為2.30V至5.5V，關(guān)機(jī)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(shí)鐘頻率可在0Hz至3.4MHz之間，不同的總線速度有不同的時(shí)序要求。在標(biāo)準(zhǔn)模式、快速模式、快速模式加和高速模式下，對(duì)時(shí)鐘頻率、建立時(shí)間、保持時(shí)間等都有相應(yīng)的規(guī)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(diào)制（PWM）控制方案和電流模式補(bǔ)償，利用H橋拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，通過一個(gè)電感和輸出電容實(shí)現(xiàn)降壓和升壓功能。H橋拓?fù)溆腥齻€(gè)開關(guān)階段，根據(jù)輸入和輸出電壓的關(guān)系，在不同的階段進(jìn)行能量的存儲(chǔ)和釋放，從而實(shí)現(xiàn)電壓的轉(zhuǎn)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(guān)閉。EN引腳有一個(gè)800kΩ（典型值）的內(nèi)部下拉電阻到AGND，可通過I2C接口清除EN_PD位來禁用內(nèi)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(guān)電流限制。將ILIM引腳拉高可設(shè)置電感開關(guān)電流限制為4.5A（典型值），拉低可設(shè)置為1.8A（典型值）。在軟啟動(dòng)和突發(fā)模式下，電感電流限制會(huì)自動(dòng)調(diào)整。

5.4 軟啟動(dòng)

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

5.5 突發(fā)模式

用于處理短時(shí)間的重載瞬變（突發(fā)負(fù)載）。當(dāng)重載瞬變需要的峰值電感電流超過ILIM_LX時(shí)，降壓 - 升壓會(huì)暫時(shí)將峰值電感電流限制提高到ILIM_LX_HIGH。如果重載持續(xù)時(shí)間超過800μs（典型值），突發(fā)模式將停用，峰值電感電流限制恢復(fù)到ILIM_LX。

5.6 電源正常（POK）輸出

用于監(jiān)測(cè)輸出電壓，需要一個(gè)外部上拉電阻（通常為10kΩ至100kΩ）。默認(rèn)情況下POK為高電平有效，可通過POK_POL位改變其極性。當(dāng)降壓 - 升壓輸出達(dá)到目標(biāo)調(diào)節(jié)電壓的80%時(shí)，POK變?yōu)楦唠娖?；?dāng)輸出降至目標(biāo)的75%以下或降壓 - 升壓被禁用時(shí)，POK變?yōu)榈碗娖健?/p>

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(biāo)輸出電壓，范圍為2.60V至5.14V，步長(zhǎng)為20mV。當(dāng)輸出電壓目標(biāo)改變時(shí)，輸出電壓會(huì)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(hù)（OVP）

內(nèi)部有過壓保護(hù)電路，當(dāng)輸出電壓超過OVP_TH[1:0]位域設(shè)置的過壓閾值時(shí)，降壓 - 升壓會(huì)禁用。可通過I2C將OVP_TH[1:0]編程為0b00來禁用OVP，默認(rèn)過壓閾值為目標(biāo)VOUT的120%。

5.9 熱關(guān)斷

內(nèi)部有熱保護(hù)電路，當(dāng)芯片溫度超過TSHDN（典型值為+165°C）時(shí)，降壓 - 升壓會(huì)禁用；當(dāng)芯片溫度冷卻約20°C后，降壓 - 升壓會(huì)再次啟用。

六、應(yīng)用信息

6.1 電感選擇

對(duì)于ILIM = HIGH，應(yīng)選擇飽和電流為7A或更高的1μH電感；對(duì)于ILIM = LOW，應(yīng)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(hào)，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(yīng)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(shù)的優(yōu)點(diǎn)，推薦使用X5R或X7R介質(zhì)的電容。

6.3 輸出電容選擇

為了保持輸出電壓紋波小和調(diào)節(jié)環(huán)路穩(wěn)定，輸出電容（(C_{OUT})）的有效電容應(yīng)至少為16μF。對(duì)于大多數(shù)應(yīng)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(duì)于實(shí)現(xiàn)低開關(guān)功率損耗和穩(wěn)定運(yùn)行至關(guān)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(huán)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(yōu)先考慮在IC、(C{OUT})、(C{IN})和電感下方設(shè)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(jìn)行旁路。
• 將FB焊盤通過專用走線連接到調(diào)節(jié)點(diǎn)，遠(yuǎn)離嘈雜的網(wǎng)絡(luò)。
• 保持電源走線和負(fù)載連接短而寬，以提高轉(zhuǎn)換器效率。
• 注意陶瓷電容的直流電壓降額，仔細(xì)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(gè)兼容I2C 3.0版本的2線串行接口，由雙向串行數(shù)據(jù)線（SDA）和串行時(shí)鐘線（SCL）組成。它是一個(gè)僅作為從設(shè)備的器件，依賴外部總線主設(shè)備生成SCL。支持0Hz至3.4MHz的SCL時(shí)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(xié)議

支持多種通信協(xié)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(xié)議中，主設(shè)備和從設(shè)備之間通過發(fā)送和接收特定的信號(hào)和數(shù)據(jù)來完成通信。例如，在單寄存器寫入?yún)f(xié)議中，主設(shè)備先發(fā)送起始條件、7位從設(shè)備地址和寫位，從設(shè)備確認(rèn)后，主設(shè)備再發(fā)送8位寄存器指針和數(shù)據(jù)字節(jié)，最后發(fā)送停止條件或重復(fù)起始條件。

7.3 高速模式

要進(jìn)入高速模式，需要在總線速度為1MHz或更低時(shí)開始協(xié)議，主設(shè)備發(fā)送特定的8位主代碼，從設(shè)備發(fā)出非確認(rèn)信號(hào)，之后主設(shè)備可以將總線速度提高到3.4MHz并進(jìn)行讀寫操作。

八、寄存器映射

8.1 寄存器復(fù)位條件

當(dāng)出現(xiàn)欠壓鎖定（VSYS < VUVLO_F）或設(shè)備禁用（EN引腳為邏輯低）時(shí)，寄存器會(huì)復(fù)位到默認(rèn)值。

8.2 寄存器詳情

• DEVICE_ID（0x00）：只讀寄存器，包含保留位，用于內(nèi)部使用。
• STATUS（0x01）：只讀寄存器，包含熱關(guān)斷狀態(tài)、電源正常狀態(tài)、輸出過壓狀態(tài)和過流狀態(tài)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(hù)閾值、輸出有源放電電阻啟用和轉(zhuǎn)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(shè)置輸出電壓目標(biāo)，范圍為2.60V至5.14V，以20mV為步長(zhǎng)。

九、總結(jié)

MAX77813是一款功能強(qiáng)大、性能高效的降壓 - 升壓轉(zhuǎn)換器，適用于多種單節(jié)Li?/Li - ion電池供電的應(yīng)用場(chǎng)景。其豐富的特性和靈活的配置選項(xiàng)，使得工程師在設(shè)計(jì)電源管理電路時(shí)能夠根據(jù)具體需求進(jìn)行優(yōu)化。在實(shí)際應(yīng)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(fā)揮MAX77813的性能，提高系統(tǒng)的穩(wěn)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(píng)論區(qū)分享你的經(jīng)驗(yàn)和見解。