高效低功耗：MAX1586A电源管理IC深度解析

高效低功耗：MAX1586/MAX1587电源管理IC深度解析

在当今的电子设备领域，尤其是智能手机、PDA等便携式设备，对电源管理的要求越来越高。高效、低功耗且具备强大功能的电源管理IC成为了设计的关键。今天我们就来详细探讨一下Maxim公司推出的MAX1586/MAX1587电源管理IC，看看它是如何满足这些需求的。

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一、产品概述

MAX1586/MAX1587专为采用Intel XScale微处理器的设备进行了优化，适用于第三代智能手机、PDA、互联网设备以及其他需要在低功耗下具备强大计算和多媒体能力的便携式设备。这两款IC集成了七个高性能、低工作电流的电源供应模块，同时还具备监控和管理功能。

二、产品特性

（一）丰富的电源输出

• DC-DC转换器：三个降压DC-DC输出（V1、V2、V3），为I/O、DRAM和CPU核心供电。例如，V1可提供3.3V或可调输出电压，最大负载可达1300mA；V2在不同型号中有不同的预设电压，如MAX1586A和MAX1587A预设为1.8V或2.5V，MAX1586B预设为3.3V或2.5V，也可通过外部电阻进行调节，最大负载可达900mA；V3通过I2C串行接口进行编程，输出电压可在0.7V至1.475V之间以25mV的步长调节，不同型号的最大负载能力不同，如MAX1586A、MAX1586B和MAX1587A为500mA，MAX1586C和MAX1587C为900mA。
• 线性稳压器：三个线性稳压器（V4、V5、V6），分别为PLL、SRAM和USIM供电。其中，V4提供固定的1.3V输出，最大负载35mA；V5提供固定的1.1V输出，最大负载35mA；V6仅MAX1586有，输出电压可通过I2C串行接口编程为0V、1.8V、2.5V或3.0V，最大负载35mA。
• 始终开启输出：一个始终开启的输出V7，可连接到Intel CPU的VCC_BATT，最大负载30mA。

（二）低功耗设计

为了降低睡眠状态下的静态电流，V1和V2配备了旁路“睡眠”LDO。当输出电流非常低时，可以激活这些LDO，以减少电池消耗。不同工作模式下的静态电流表现如下：

• RUN模式：所有电源开启并运行，MAX1587为200µA，MAX1586为225µA。
• SLEEP模式：PWR_EN控制的电压（V3、V4、V5）关闭，V1和V2开启。如果V1和V2的睡眠LDO开启，电流为60µA；如果V1、V2的降压DC-DC转换器启用，电流为130µA。
• DEEP SLEEP模式：除V7外所有电源关闭，V7由备用电池供电。如果VIN > DBI阈值，MAX1587为5µA，MAX1586为32µA；如果VIN < DBI阈值，为4µA。

（三）高效的PWM开关

所有DC-DC输出均采用快速的1MHz PWM开关和小型外部组件。在固定频率PWM控制下运行，并在轻负载时自动从PWM模式切换到跳周期模式，以降低工作电流，延长电池寿命。V3核心输出在所有负载下都能强制进入PWM模式，以实现低噪声运行。

（四）宽输入电压范围

输入电压范围为2.6V至5.5V，支持单节锂离子（Li+）电池、3节镍氢（NiMH）电池或稳压5V输入，为不同的电源配置提供了灵活性。

三、关键功能模块解析

（一）DC-DC转换器

1. V1和V2降压DC-DC转换器

V1和V2均为1MHz电流模式降压转换器。在中等到重负载下，以低噪声PWM模式运行，具有恒定频率和调制脉冲宽度，固定频率操作产生的开关谐波稳定且易于过滤。在轻负载（<30mA）时，进入Idle Mode™，仅在需要时进行开关操作，以提高效率。

内部的n沟道同步整流器消除了对外部肖特基二极管的需求，提高了效率。在同步整流期间，电压在每个周期的后半段反转，电感电流下降，在正常操作（非强制PWM）下，同步整流器在周期结束时或电感电流接近零时关闭。

当电感电流在导通时间内不足以提供负载时，开关保持导通，允许实现高达100%的占空比，从而在输入电压接近调节电压时维持输出电压的稳定。例如，V1在800mA负载下的压降约为180mV，V2在800mA负载下的压降约为220mV。

2. V3降压DC-DC转换器

V3同样是1MHz电流模式降压转换器。输出电压通过I2C串行接口进行设置，默认输出电压为1.3V。在中等到重负载下，始终以低噪声PWM模式运行；在轻负载（<30mA）且PWM3为低电平时，进入增强效率的Idle Mode；当PWM3为高电平时，在所有负载条件下都以低噪声强制PWM模式运行。

（二）线性稳压器

1. V4（VCC_PLL）

提供固定的1.3V输出，最大负载35mA。电源输入IN45通常连接到V2。在MAX1586上，通过驱动ON4为高电平来启用，驱动ON4为低电平则关闭；在MAX1587上，V4和V5的使能引脚合并，驱动ON45为高电平来启用，驱动ON45为低电平则关闭。

2. V5（VCC_SRAM）

提供固定的1.1V输出，最大负载35mA。电源输入同样为IN45，通常连接到V2。在MAX1586上，通过驱动ON5为高电平来启用，驱动ON5为低电平则关闭；在MAX1587上，与V4的使能控制方式相同。

3. V6（VCC_USIM - MAX1586 Only）

输出电压可通过I2C串行接口编程为0V、1.8V、2.5V或3.0V，上电默认电压为0V。电源输入IN6通常连接到V1。通过驱动ON6为高电平来启用，驱动ON6为低电平则关闭。

（三）V7始终开启输出

V7输出在V1启用且处于稳压状态或备用电源存在时始终保持激活。当ON1为高电平且V1处于稳压状态时，V7由内部MOSFET开关从V1获取电源；当ON1为低电平或V1失稳时，V7由片上的第二个MOSFET从BKBT获取电源。

（四）监控和管理功能

1. 欠压锁定（UVLO）

当输入电压低于2.35V（典型值）时，欠压锁定电路会禁用IC，输入在UVLO期间保持高阻抗，减少电池负载。所有串行寄存器在输入电压低至至少2.35V时仍能保持数据。

2. 复位输出（RSO）和MR输入

复位输出RSO在MR输入为低电平或V7低于2.425V时为低电平。V7由V1（启用时）或备用电池输入（BKBT）供电。在某些情况下，如首次上电、断电、备用电池电压低于2.425V或按下手动复位按钮（MR为低电平）时，RSO通常会变为低电平。

如果VIN > 2.4V，当V7上升到2.3V以上后，内部定时器会延迟65ms释放RSO；如果VIN < 2.4V或VIN和V7同时上升，RSO会立即释放，无65ms延迟。手动复位输入MR为低电平时，会使RSO输出至少低65ms，并将V3输出重置为默认的1.3V设置，不影响其他功能。

3. 死电池和低电池比较器 - DBI、LBI（MAX1586 Only）

DBI和LBI输入监视输入电源（通常是电池），并触发DBO和LBO输出。死电池比较器在电池（VIN）放电到死电池阈值时触发DBO，可通过将DBI连接到IN选择工厂预设的3.15V阈值，也可通过在DBI处使用电阻分压器进行编程；低电池比较器的工厂预设阈值为3.6V，可通过将LBI连接到IN选择该阈值，也可使用电阻分压器进行编程。

4. 电源良好输出（POK）

POK是一个开漏输出，当任何激活的稳压器（V1 - V6）低于其调节阈值时为低电平，不监视V7。当所有激活的输出电压在调节范围的10%以内时，POK为高阻抗。在V3通过串行编程进行电压转换期间或任何稳压器通道关闭时，POK不会标记失调情况。当任何稳压器开启时，POK会暂时变为低电平，当该稳压器达到调节状态时恢复为高电平。当所有稳压器（V1 - V6）关闭时，POK被强制为低电平；当输入电压低于UVLO阈值时，POK保持低电平，并在VIN低至1V时仍能保持有效低输出。

（五）串行接口

I2C兼容的两线串行接口控制MAX1587上的REG3以及MAX1586上的REG3和REG6。当VIN超过2.40V UVLO阈值且至少有一个ON1 - ON6置位时，串行接口开始工作；当所有稳压器都未启用时，串行接口关闭以减少关断电流消耗。

四、设计要点

（一）输出电压设置

• V1和V2：可通过将FB1连接到GND将V1设置为3.3V；通过将FB2连接到不同位置，可将V2设置为预设电压（如MAX1586A和MAX1587A的1.8V或2.5V，MAX1587B的3.3V或2.5V）。若要设置为其他电压，可使用电阻分压器连接到相应的FB输入。由于FB_输入偏置电流小于100nA，选择低侧（FB到GND）电阻（RL）为100kΩ或更小，然后使用公式RH = RL[(VOUT / 1.25) - 1]计算高侧（输出到FB）电阻（RH）。
• V3：通过I2C串行接口在0.7V至1.475V之间以25mV的步长设置输出电压。
• V4和V5：分别提供固定的1.3V和1.1V输出电压，不可调节。
• V6：通过I2C串行接口设置输出电压为0V、1.8V、2.5V或3.0V。
• V7：只要ON1为高电平且V1处于稳压状态，就跟踪V1的电压；当ON1为低电平或V1失稳时，切换到备用电池（VBKBT）。

（二）电感和电容选择

1. 电感选择

为了使MAX1586/MAX1587降压转换器在连续电感电流下实现最佳效率，可根据公式计算理想电感值（LIDEAL），该值可将电感电流的峰 - 峰设置为直流电感电流的1/2。确保电感的饱和电流超过峰值电感电流，额定最大直流电感电流超过最大输出电流（IOUT(MAX)）。较大的电感值可优化效率或获得最大可能输出电流，但可能会增加电感尺寸或电阻，降低效率；较小的电感值可减小电感尺寸，但会导致较大的峰值电感电流，可能需要更大的输出电容来抑制输出纹波。

2. 电容选择

• 输入电容：DC - DC转换器中的输入电容可减少从电池或其他输入电源汲取的电流峰值，并降低控制器中的开关噪声。输入电容在开关频率下的阻抗应小于输入源的阻抗，以避免高频开关电流通过输入源。
• 输出电容：输出电容用于保持输出纹波小并确保控制环路的稳定性。陶瓷、聚合物和钽电容都是合适的选择，其中陶瓷电容具有最低的ESR和高频阻抗。可根据公式计算输出纹波，若电容具有显著的ESR，还需考虑其对输出纹波的影响。

（三）补偿和稳定性

对于REG1、REG2和REG3的补偿，需要考虑跨导（从FB到CC）、电流感测放大器的跨阻、反馈调节电压、降压输出电压和输出负载等效电阻等特性。关键步骤包括设置补偿RC零点以抵消RLOAD COUT极点，并将环路交叉频率设置在或低于开关频率的约1/10。根据具体参数选择合适的补偿电容和电阻，以满足瞬态下垂要求。

（四）PCB布局和布线

良好的PCB布局对于实现最佳性能至关重要。携带不连续电流的导体和任何高电流路径应尽可能短而宽。单独的低噪声接地平面应仅在一点连接到电源接地平面，以最小化电源接地电流的影响，通常在IC处连接最佳。电压反馈网络应尽可能靠近IC，优选在FB引脚的0.2英寸（5mm）范围内。高dV/dt节点（开关节点）应尽可能小，并远离高阻抗节点，如FB。

五、应用拓展

（一）扩展最大核心电压范围

在某些情况下，可能需要更高的CPU核心电压。可以通过添加两个电阻来增加V3的电压范围，调整后的电压可根据公式计算。

（二）备用电池和V7配置

1. 主备用电池

使用不可充电的锂硬币电池作为备用电池时，可将其直接连接到BKBT。V7从V1（如果启用）或备用电池为CPU VCC_BATT供电。

2. 无备用电池或替代备用方案

如果不使用备用电池或使用不涉及MAX1586/MAX1587的替代备用方案，可使用小硅二极管（如1N4148）将BKBT从IN偏置。因为DBO、RSO和POK需要BKBT供电才能正常工作，所以即使不使用备用电池，也必须为BKBT供电。

3. 可充电锂电池备用电池

当需要更多备用电源且主电池容量不足时，可使用可充电锂电池。当3.3V的V1电源激活时，通过串联电阻和二极管对电池进行充电。

4. 可充电镍氢电池备用电池

在某些系统中，可能希望使用镍氢电池作为备用电池。通常需要多个电池，因为典型的镍氢电池电压仅为1.2V。可添加一个小型DC - DC转换器（如MAX1724）将低电池电压升压至3V以偏置BKBT，同时在主电源存在时通过电阻和二极管对镍氢电池进行涓流充电。

六、总结与建议

MAX1586/MAX1587电源管理IC以其丰富的功能、高效低功耗的特性，为采用Intel XScale微处理器的便携式设备提供了强大的电源管理解决方案。在设计过程中，需要根据具体的应用需求，合理选择输出电压、电感和电容，进行有效的补偿和稳定性设计，并注意PCB布局和布线，以充分发挥其性能优势。同时，不同的备用电池配置可以根据实际情况灵活选择，满足多样化的使用场景。大家在实际应用中遇到什么问题，或者有不同的见解，欢迎一起交流探讨。