MAX77720：寬輸出電壓范圍雙極性 PMIC 詳解

在電子設(shè)備的電源管理領(lǐng)域，一款性能卓越的 PMIC（電源管理集成電路）能夠顯著提升設(shè)備的性能與穩(wěn)定性。今天，我們就來(lái)深度解析 Analog Devices 推出的 MAX77720 寬輸出電壓范圍、雙極性 PMIC，這款產(chǎn)品在諸多應(yīng)用場(chǎng)景中都展現(xiàn)出了獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。

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一、產(chǎn)品概述

MAX77720 是一款雙輸出 DC - DC 轉(zhuǎn)換器，能夠生成兩個(gè)獨(dú)立調(diào)節(jié)的正電源電壓和負(fù)電源電壓。其中，正輸出可提供高達(dá) 4W 的功率，負(fù)輸出則能提供高達(dá) 4.8W 的功率，這使其非常適合為智能物聯(lián)網(wǎng)（IoT）設(shè)備中的飛行時(shí)間（ToF）成像傳感器和 OLED 顯示器等供電。

其輸出電壓范圍十分寬泛，可生成低至 - 24V 的可調(diào)負(fù)輸出電壓以及高達(dá) + 20V 的正輸出電壓。負(fù)輸出以固定的 1.5MHz 頻率運(yùn)行，正輸出以固定的 1MHz 頻率運(yùn)行，這種設(shè)計(jì)有助于在敏感應(yīng)用中進(jìn)行噪聲過(guò)濾，并減小外部組件的尺寸。

此外，該器件還具備 nERR 引腳，當(dāng)連接到外部設(shè)備的輸出引腳時(shí)，可用于禁用穩(wěn)壓器以發(fā)出外部錯(cuò)誤信號(hào)，并且可以通過(guò)主機(jī)處理器的 I2C 接口清除該錯(cuò)誤以重新啟用穩(wěn)壓器。同時(shí)，雙向 I2C 串行接口允許對(duì)設(shè)備進(jìn)行配置和狀態(tài)檢查，眾多工廠可編程選項(xiàng)使該設(shè)備能夠針對(duì)多種應(yīng)用進(jìn)行定制，從而加快產(chǎn)品上市時(shí)間。

二、關(guān)鍵特性與優(yōu)勢(shì)

（一）輸入輸出特性

1. 輸入電壓范圍：支持 2.5V 至 5.5V 的輸入電壓范圍，能適配多種不同的電源輸入。
2. 可編程輸出電壓范圍：正輸出電壓最高可達(dá) + 20V，負(fù)輸出電壓最低可至 - 24V，且輸出電壓可通過(guò)編程進(jìn)行靈活調(diào)節(jié)。

（二）功能特性

1. 靈活的配置選項(xiàng)
   • I2C 接口：通過(guò)雙向 I2C 串行接口，可方便地對(duì)設(shè)備進(jìn)行配置和狀態(tài)監(jiān)測(cè)。
   • 工廠 OTP 設(shè)置：提供工廠一次性可編程（OTP）設(shè)置，可根據(jù)不同應(yīng)用需求定制設(shè)備特性。
   • 可編程的啟動(dòng)和關(guān)閉延遲：允許設(shè)置不同電源軌之間的啟動(dòng)和關(guān)閉延遲時(shí)間，增強(qiáng)了系統(tǒng)的靈活性和穩(wěn)定性。
2. 兼容性與保護(hù)特性
   • 1.2V 至 3.6V (V_{IO}) 兼容：能與多種不同電壓的外部設(shè)備進(jìn)行接口。
   • True Shutdown? 功能：用于升壓轉(zhuǎn)換器，可在關(guān)閉時(shí)斷開(kāi)輸出與輸入的連接，避免正向或反向電流。
   • 可編程的峰值電流限制：升壓轉(zhuǎn)換器的峰值電流限制可在 0.5A 至 1A 之間進(jìn)行編程，以適應(yīng)不同的負(fù)載需求。
   • 保護(hù)功能齊全：具備熱關(guān)斷保護(hù)、故障條件標(biāo)志、外部傳感器故障條件錯(cuò)誤引腳以及軟啟動(dòng)時(shí)的涌流控制等功能，保障了設(shè)備的可靠性和穩(wěn)定性。

（三）其他特性

1. 工作溫度范圍：支持 - 40°C 至 + 125°C 的寬工作溫度范圍，適用于多種惡劣環(huán)境。
2. 小尺寸封裝：采用 3.86 (mm^{2}) 的晶圓級(jí)封裝（WLP），20 凸點(diǎn)、0.4mm 間距、5 x 4 陣列的設(shè)計(jì)，節(jié)省了電路板空間。

三、詳細(xì)工作原理

（一）整體架構(gòu)

MAX77720 結(jié)合了升壓轉(zhuǎn)換器和異步反相降壓 - 升壓轉(zhuǎn)換器，從而實(shí)現(xiàn)正輸出電壓和負(fù)輸出電壓的生成。每個(gè)穩(wěn)壓器都由脈沖寬度調(diào)制（PWM）控制器獨(dú)立調(diào)節(jié)和控制，并且升壓轉(zhuǎn)換器還允許對(duì)峰值電流限制閾值進(jìn)行編程，通過(guò)使用外部反饋電阻，可實(shí)現(xiàn)更寬的輸出電壓范圍和可定制的啟動(dòng)輸出電壓。反相降壓 - 升壓轉(zhuǎn)換器則可通過(guò) I2C 接口從主機(jī)處理器進(jìn)行可編程電壓設(shè)置。

（二）工作模式

1. 反相降壓 - 升壓轉(zhuǎn)換器

• 跳過(guò)模式（Skip Mode）：在無(wú)負(fù)載或輕負(fù)載條件下，轉(zhuǎn)換器會(huì)自動(dòng)進(jìn)入跳過(guò)模式以提高效率。在此模式下，當(dāng)誤差放大器輸出電壓小于目標(biāo)跳過(guò)閾值時(shí)，高端 MOSFET 會(huì)跳過(guò)導(dǎo)通脈沖，目標(biāo)跳過(guò)閾值決定了峰值電感電流（典型值為 400mA）。
• PWM 模式：采用 1.5MHz 開(kāi)關(guān)頻率的脈沖寬度調(diào)制和峰值電流模式控制架構(gòu)，內(nèi)部具有環(huán)路補(bǔ)償。在每個(gè)時(shí)鐘上升沿，高端 MOSFET 導(dǎo)通，電感電流上升；誤差放大器對(duì) FBIBB 引腳處的輸出電壓分?jǐn)?shù)與內(nèi)部參考電壓之間的誤差進(jìn)行積分，以設(shè)置電感中的峰值電流，當(dāng)電流達(dá)到該峰值時(shí)，高端 MOSFET 關(guān)斷，電感電流通過(guò)外部肖特基二極管對(duì)負(fù)電壓軌（VOUT_IBB）進(jìn)行放電。

2. 升壓轉(zhuǎn)換器

• 跳過(guò)模式（Skip Mode）：在輕負(fù)載時(shí)，通過(guò)脈沖頻率調(diào)制（PFM）自動(dòng)進(jìn)入跳過(guò)模式以提高效率。在該模式下，導(dǎo)通時(shí)間由 500mA 的峰值電感電流限制決定，當(dāng)電感電流達(dá)到該限制時(shí)，導(dǎo)通時(shí)間結(jié)束，功率二極管正向偏置，電荷轉(zhuǎn)移到輸出電容使輸出電壓上升；當(dāng)電感電流降至零，關(guān)斷時(shí)間結(jié)束，負(fù)載由輸出電容供電，輸出電壓下降；當(dāng) FB 電壓低于 PFM 參考電壓時(shí)，設(shè)備再次啟動(dòng)導(dǎo)通時(shí)間以提升輸出電壓。在跳過(guò)模式下，升壓轉(zhuǎn)換器將輸出電壓調(diào)節(jié)到標(biāo)稱輸出目標(biāo)值的 1% 以上（注：對(duì)于 CNFG_IBB0.IPK_BST[1:0] = 0b11 模式，僅在不連續(xù)導(dǎo)通模式（DCM）下工作，該閾值變化不適用）。
• PWM 模式：在連續(xù)導(dǎo)通模式（CCM）的負(fù)載電流水平下，采用準(zhǔn)恒定 1.0MHz 開(kāi)關(guān)頻率的脈沖寬度調(diào)制。根據(jù)輸入電壓與輸出電壓的比率，電路預(yù)測(cè)所需的關(guān)斷時(shí)間；在開(kāi)關(guān)周期開(kāi)始時(shí)，低端 MOSFET 導(dǎo)通，輸入電壓施加在電感上，電感電流上升，輸出電容由負(fù)載電流放電；當(dāng)電感電流達(dá)到輸出誤差放大器設(shè)置的電流閾值時(shí)，低端 MOSFET 關(guān)斷，功率二極管正向偏置，電感將存儲(chǔ)的能量轉(zhuǎn)移到輸出電容以補(bǔ)充電荷并為負(fù)載供電；關(guān)斷時(shí)間結(jié)束后，下一個(gè)開(kāi)關(guān)周期開(kāi)始。在該模式下，誤差放大器將 FBBST 引腳電壓與內(nèi)部參考電壓進(jìn)行比較，其輸出決定電感峰值電流，并且內(nèi)部補(bǔ)償電路可適應(yīng)廣泛的輸入電壓、輸出電壓、電感和輸出電容范圍，以確保穩(wěn)定運(yùn)行。

（三）I2C 通信

MAX77720 使用標(biāo)準(zhǔn) I2C 協(xié)議通過(guò)兩線總線系統(tǒng)進(jìn)行通信。系統(tǒng)支持作為單目標(biāo)或多目標(biāo)、單控制器或多控制器系統(tǒng)中的目標(biāo)設(shè)備運(yùn)行，采用 7 位目標(biāo)地址，最多可支持 128 個(gè)目標(biāo)地址。通信過(guò)程包括位傳輸、起始和停止條件、確認(rèn)位、數(shù)據(jù)順序、目標(biāo)地址等要素。在通信速度方面，支持 0Hz 至 1MHz 的標(biāo)準(zhǔn)模式、快速模式和快速模式增強(qiáng)型，不同模式下對(duì)總線電容和上拉電阻有不同要求，高速模式還需要一些特殊考慮，如控制器使用電流源上拉、目標(biāo)設(shè)備使用不同的輸入濾波器以及采用高速控制器代碼等。同時(shí)，該設(shè)備支持對(duì)單個(gè)寄存器和連續(xù)寄存器的讀寫(xiě)操作，每種操作都有相應(yīng)的通信協(xié)議。

四、應(yīng)用信息

（一）使能選項(xiàng)

MAX77720 提供了高度的控制靈活性。EN 引腳可用于啟用升壓和反相降壓 - 升壓轉(zhuǎn)換器，并可通過(guò)各自的編程延遲（CNFG_DLY0.STRTUP_DLY_BST 和 CNFG_DLY1_STRTUP_DLY_IBB）進(jìn)行控制。此外，還可以通過(guò) I2C 將 CNFG_GLBL.FRC_BST_ON 置為 1 來(lái)無(wú)延遲地強(qiáng)制啟動(dòng)升壓轉(zhuǎn)換器，將 CNFG_GLBL.FRC_IBB_ON 置為 1 來(lái)無(wú)延遲地強(qiáng)制啟動(dòng)反相降壓 - 升壓轉(zhuǎn)換器。

（二）組件選擇

1. 輸入電容器：建議使用具有 X5R 或 X7R 電介質(zhì)的陶瓷電容器，因?yàn)樗鼈兙哂行〕叽纭⒌偷刃Т?lián)電阻（ESR）和小溫度系數(shù)的優(yōu)點(diǎn)。在 INIBB 引腳和 PGND 之間應(yīng)具有至少 12μF 的有效電容，在升壓電感和 PGND 之間也應(yīng)如此，這兩個(gè)電容器應(yīng)盡可能靠近 IC 放置。此外，建議在 IN 引腳和 AGND 之間使用 1μF 的旁路電容器，以確保設(shè)備的穩(wěn)定運(yùn)行并減少可能影響 IC 性能的噪聲注入。為了充分利用設(shè)備的可用輸入電壓范圍（最大 5.5V），輸入電容器的額定電壓應(yīng)至少為 6.3V。
2. 反相降壓 - 升壓電感：該轉(zhuǎn)換器針對(duì) 3.3μH 電感進(jìn)行了優(yōu)化。選擇電感時(shí)，應(yīng)確保其飽和電流大于或等于最大峰值電流限制設(shè)置（IIBB_ILIM），同時(shí)要考慮電感的直流電阻（DCR）、交流電阻（ACR）和封裝尺寸等因素，通常較小尺寸的電感具有較大的 DCR 和 ACR，會(huì)降低效率，需參考制造商的數(shù)據(jù)手冊(cè)來(lái)平衡各因素之間的權(quán)衡。
3. 反相降壓 - 升壓二極管：由于該轉(zhuǎn)換器是異步轉(zhuǎn)換器，需要外部二極管，建議使用具有低正向電壓降和快速開(kāi)關(guān)動(dòng)作的肖特基二極管。對(duì)于低電壓范圍（- 17.01V 至 - 24V），應(yīng)選擇反向電壓（VR）低于 - 40V 且最小正向電流（IFW）為 1.5A 的肖特基二極管；對(duì)于高電壓范圍（- 10.01V 至 - 17V），應(yīng)選擇反向電壓（VR）低于 - 30V 且最小正向電流（IFW）為 1.5A 的肖特基二極管。
4. 反相降壓 - 升壓輸出電容器：為了確保反相降壓 - 升壓轉(zhuǎn)換器的穩(wěn)定運(yùn)行，輸出電容（COUT_IBB）應(yīng)至少為 4.7μF。選擇電容器時(shí)，要考慮其初始公差、溫度變化和直流偏置降額等因素，較大的 COUT_IBB 值可以改善負(fù)載瞬態(tài)性能和紋波性能，但會(huì)增加軟啟動(dòng)期間的輸入浪涌電流。輸出濾波器電容器的 ESR 應(yīng)足夠低，以滿足輸出紋波和負(fù)載瞬態(tài)要求，其電容應(yīng)足夠高，以吸收電感在從滿載到空載過(guò)渡時(shí)的能量。建議使用具有 X5R 或 X7R 電介質(zhì)的陶瓷電容器，對(duì)于低電壓范圍（- 17.01V 至 - 24V）的應(yīng)用，建議使用額定電壓為 50V 的電容器以提高可靠性；對(duì)于高電壓范圍（- 10.01V 至 - 17V）的應(yīng)用，建議使用額定電壓為 35V 的電容器。
5. 升壓電感：電感的選擇對(duì)升壓電源轉(zhuǎn)換器的穩(wěn)態(tài)運(yùn)行、瞬態(tài)行為和環(huán)路穩(wěn)定性至關(guān)重要。MAX77720 升壓轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)用于 4.7μH 至 15μH 的電感值，同時(shí)應(yīng)選擇飽和電流大于或等于編程峰值電流限制設(shè)置（IBST_ILIM）的電感?？梢酝ㄟ^(guò)相關(guān)公式計(jì)算電感的峰值電流，一般建議根據(jù) VOUT_BST 設(shè)置選擇電感值（如 VOUT_BST 在 5.5 至 7V 時(shí)選擇 4.7μH，7 至 9V 時(shí)選擇 6.8μH 等）。
6. 升壓輸出電容器：為了確保升壓轉(zhuǎn)換器的穩(wěn)定運(yùn)行，輸出電壓在 8V 及以下時(shí)，輸出電容（COUTBST）應(yīng)至少為 12μF；輸出電壓高于 8V 時(shí)，應(yīng)至少為 6μF。與反相降壓 - 升壓轉(zhuǎn)換器類似，要考慮電容器的初始公差、溫度變化和直流偏置降額等因素。對(duì)于輸出電壓范圍在 14V 及以上的應(yīng)用，建議使用額定電壓為 35V 或 50V 的電容器；對(duì)于輸出電壓范圍低于 14V 的應(yīng)用，建議使用額定電壓為 20V 或更高的電容器。輸出電容器會(huì)影響升壓轉(zhuǎn)換器的小信號(hào)控制環(huán)路穩(wěn)定性，增加輸出電容可使輸出電壓紋波更小，在 (V{IN}) 接近 VOUT_BST 的應(yīng)用中，需要更多的輸出電容來(lái)最小化輸出電壓紋波。

（三）PCB 布局

精心設(shè)計(jì)的印刷電路板（PCB）布局對(duì)于實(shí)現(xiàn)低開(kāi)關(guān)功率損耗和干凈穩(wěn)定的操作至關(guān)重要。布局時(shí)應(yīng)遵循以下一般準(zhǔn)則：

1. 將 DC - DC 轉(zhuǎn)換器的電感和輸出電容器靠近 MAX77720 放置，以減小功率環(huán)路的尺寸。
2. 在布線 DC - DC 轉(zhuǎn)換器的電流路徑時(shí)，使用短而寬的走線，以減少快速開(kāi)關(guān)產(chǎn)生的電磁干擾（EMI）問(wèn)題，其中 LX 引腳與電感之間的走線最為關(guān)鍵。
3. 輸入和輸出電容器的接地環(huán)路應(yīng)盡可能小。
4. 對(duì)于多層 PCB，模擬接地（AGND）應(yīng)設(shè)置為獨(dú)立平面，電源接地（PGND）也應(yīng)設(shè)置為獨(dú)立平面，AGND 應(yīng)直接連接到接地平面，以確保 AGND 的安靜接地平面并避免公共阻抗接地。
5. 反饋引腳應(yīng)遠(yuǎn)離 LX 開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行布線，以提高抗噪能力，因?yàn)樵撘_是高阻抗輸入，對(duì)噪聲非常敏感。
6. 盡可能使用接地平面和走線來(lái)屏蔽反饋信號(hào)，以最小化噪聲和磁干擾，對(duì)于多層 PCB，應(yīng)在高電流路徑和任何模擬或數(shù)字路徑之間設(shè)置接地平面。

五、總結(jié)

MAX77720 寬輸出電壓范圍、雙極性 PMIC 憑借其出色的性能、靈活的配置選項(xiàng)和豐富的保護(hù)功能，為智能物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備中的 ToF 傳感器、OLED 顯示器等應(yīng)用提供了理想的電源管理解決方案。在實(shí)際設(shè)計(jì)過(guò)程中，工程師需要根據(jù)具體的應(yīng)用需求，合理選擇外部組件并優(yōu)化 PCB 布局，以充分發(fā)揮該器件的優(yōu)勢(shì)，確保設(shè)備的穩(wěn)定運(yùn)行。大家在使用 MAX77720 的過(guò)程中，有沒(méi)有遇到什么特別的問(wèn)題或者獨(dú)特的應(yīng)用體驗(yàn)?zāi)?？歡迎在評(píng)論區(qū)分享交流。