MAX77720：宽输出电压范围双极性 PMIC 详解

在电子设备的电源管理领域，一款性能卓越的 PMIC（电源管理集成电路）能够显著提升设备的性能与稳定性。今天，我们就来深度解析 Analog Devices 推出的 MAX77720 宽输出电压范围、双极性 PMIC，这款产品在诸多应用场景中都展现出了独特的优势。

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一、产品概述

MAX77720 是一款双输出 DC - DC 转换器，能够生成两个独立调节的正电源电压和负电源电压。其中，正输出可提供高达 4W 的功率，负输出则能提供高达 4.8W 的功率，这使其非常适合为智能物联网（IoT）设备中的飞行时间（ToF）成像传感器和 OLED 显示器等供电。

其输出电压范围十分宽泛，可生成低至 - 24V 的可调负输出电压以及高达 + 20V 的正输出电压。负输出以固定的 1.5MHz 频率运行，正输出以固定的 1MHz 频率运行，这种设计有助于在敏感应用中进行噪声过滤，并减小外部组件的尺寸。

此外，该器件还具备 nERR 引脚，当连接到外部设备的输出引脚时，可用于禁用稳压器以发出外部错误信号，并且可以通过主机处理器的 I²C 接口清除该错误以重新启用稳压器。同时，双向 I²C 串行接口允许对设备进行配置和状态检查，众多工厂可编程选项使该设备能够针对多种应用进行定制，从而加快产品上市时间。

二、关键特性与优势

（一）输入输出特性

1. 输入电压范围：支持 2.5V 至 5.5V 的输入电压范围，能适配多种不同的电源输入。
2. 可编程输出电压范围：正输出电压最高可达 + 20V，负输出电压最低可至 - 24V，且输出电压可通过编程进行灵活调节。

（二）功能特性

1. 灵活的配置选项
   • I²C 接口：通过双向 I²C 串行接口，可方便地对设备进行配置和状态监测。
   • 工厂 OTP 设置：提供工厂一次性可编程（OTP）设置，可根据不同应用需求定制设备特性。
   • 可编程的启动和关闭延迟：允许设置不同电源轨之间的启动和关闭延迟时间，增强了系统的灵活性和稳定性。
2. 兼容性与保护特性
   • 1.2V 至 3.6V (V_{IO}) 兼容：能与多种不同电压的外部设备进行接口。
   • True Shutdown™ 功能：用于升压转换器，可在关闭时断开输出与输入的连接，避免正向或反向电流。
   • 可编程的峰值电流限制：升压转换器的峰值电流限制可在 0.5A 至 1A 之间进行编程，以适应不同的负载需求。
   • 保护功能齐全：具备热关断保护、故障条件标志、外部传感器故障条件错误引脚以及软启动时的涌流控制等功能，保障了设备的可靠性和稳定性。

（三）其他特性

1. 工作温度范围：支持 - 40°C 至 + 125°C 的宽工作温度范围，适用于多种恶劣环境。
2. 小尺寸封装：采用 3.86 (mm^{2}) 的晶圆级封装（WLP），20 凸点、0.4mm 间距、5 x 4 阵列的设计，节省了电路板空间。

三、详细工作原理

（一）整体架构

MAX77720 结合了升压转换器和异步反相降压 - 升压转换器，从而实现正输出电压和负输出电压的生成。每个稳压器都由脉冲宽度调制（PWM）控制器独立调节和控制，并且升压转换器还允许对峰值电流限制阈值进行编程，通过使用外部反馈电阻，可实现更宽的输出电压范围和可定制的启动输出电压。反相降压 - 升压转换器则可通过 I²C 接口从主机处理器进行可编程电压设置。

（二）工作模式

1. 反相降压 - 升压转换器

• 跳过模式（Skip Mode）：在无负载或轻负载条件下，转换器会自动进入跳过模式以提高效率。在此模式下，当误差放大器输出电压小于目标跳过阈值时，高端 MOSFET 会跳过导通脉冲，目标跳过阈值决定了峰值电感电流（典型值为 400mA）。
• PWM 模式：采用 1.5MHz 开关频率的脉冲宽度调制和峰值电流模式控制架构，内部具有环路补偿。在每个时钟上升沿，高端 MOSFET 导通，电感电流上升；误差放大器对 FBIBB 引脚处的输出电压分数与内部参考电压之间的误差进行积分，以设置电感中的峰值电流，当电流达到该峰值时，高端 MOSFET 关断，电感电流通过外部肖特基二极管对负电压轨（VOUT_IBB）进行放电。

2. 升压转换器

• 跳过模式（Skip Mode）：在轻负载时，通过脉冲频率调制（PFM）自动进入跳过模式以提高效率。在该模式下，导通时间由 500mA 的峰值电感电流限制决定，当电感电流达到该限制时，导通时间结束，功率二极管正向偏置，电荷转移到输出电容使输出电压上升；当电感电流降至零，关断时间结束，负载由输出电容供电，输出电压下降；当 FB 电压低于 PFM 参考电压时，设备再次启动导通时间以提升输出电压。在跳过模式下，升压转换器将输出电压调节到标称输出目标值的 1% 以上（注：对于 CNFG_IBB0.IPK_BST[1:0] = 0b11 模式，仅在不连续导通模式（DCM）下工作，该阈值变化不适用）。
• PWM 模式：在连续导通模式（CCM）的负载电流水平下，采用准恒定 1.0MHz 开关频率的脉冲宽度调制。根据输入电压与输出电压的比率，电路预测所需的关断时间；在开关周期开始时，低端 MOSFET 导通，输入电压施加在电感上，电感电流上升，输出电容由负载电流放电；当电感电流达到输出误差放大器设置的电流阈值时，低端 MOSFET 关断，功率二极管正向偏置，电感将存储的能量转移到输出电容以补充电荷并为负载供电；关断时间结束后，下一个开关周期开始。在该模式下，误差放大器将 FBBST 引脚电压与内部参考电压进行比较，其输出决定电感峰值电流，并且内部补偿电路可适应广泛的输入电压、输出电压、电感和输出电容范围，以确保稳定运行。

（三）I²C 通信

MAX77720 使用标准 I²C 协议通过两线总线系统进行通信。系统支持作为单目标或多目标、单控制器或多控制器系统中的目标设备运行，采用 7 位目标地址，最多可支持 128 个目标地址。通信过程包括位传输、起始和停止条件、确认位、数据顺序、目标地址等要素。在通信速度方面，支持 0Hz 至 1MHz 的标准模式、快速模式和快速模式增强型，不同模式下对总线电容和上拉电阻有不同要求，高速模式还需要一些特殊考虑，如控制器使用电流源上拉、目标设备使用不同的输入滤波器以及采用高速控制器代码等。同时，该设备支持对单个寄存器和连续寄存器的读写操作，每种操作都有相应的通信协议。

四、应用信息

（一）使能选项

MAX77720 提供了高度的控制灵活性。EN 引脚可用于启用升压和反相降压 - 升压转换器，并可通过各自的编程延迟（CNFG_DLY0.STRTUP_DLY_BST 和 CNFG_DLY1_STRTUP_DLY_IBB）进行控制。此外，还可以通过 I²C 将 CNFG_GLBL.FRC_BST_ON 置为 1 来无延迟地强制启动升压转换器，将 CNFG_GLBL.FRC_IBB_ON 置为 1 来无延迟地强制启动反相降压 - 升压转换器。

（二）组件选择

1. 输入电容器：建议使用具有 X5R 或 X7R 电介质的陶瓷电容器，因为它们具有小尺寸、低等效串联电阻（ESR）和小温度系数的优点。在 INIBB 引脚和 PGND 之间应具有至少 12μF 的有效电容，在升压电感和 PGND 之间也应如此，这两个电容器应尽可能靠近 IC 放置。此外，建议在 IN 引脚和 AGND 之间使用 1μF 的旁路电容器，以确保设备的稳定运行并减少可能影响 IC 性能的噪声注入。为了充分利用设备的可用输入电压范围（最大 5.5V），输入电容器的额定电压应至少为 6.3V。
2. 反相降压 - 升压电感：该转换器针对 3.3μH 电感进行了优化。选择电感时，应确保其饱和电流大于或等于最大峰值电流限制设置（IIBB_ILIM），同时要考虑电感的直流电阻（DCR）、交流电阻（ACR）和封装尺寸等因素，通常较小尺寸的电感具有较大的 DCR 和 ACR，会降低效率，需参考制造商的数据手册来平衡各因素之间的权衡。
3. 反相降压 - 升压二极管：由于该转换器是异步转换器，需要外部二极管，建议使用具有低正向电压降和快速开关动作的肖特基二极管。对于低电压范围（- 17.01V 至 - 24V），应选择反向电压（VR）低于 - 40V 且最小正向电流（IFW）为 1.5A 的肖特基二极管；对于高电压范围（- 10.01V 至 - 17V），应选择反向电压（VR）低于 - 30V 且最小正向电流（IFW）为 1.5A 的肖特基二极管。
4. 反相降压 - 升压输出电容器：为了确保反相降压 - 升压转换器的稳定运行，输出电容（COUT_IBB）应至少为 4.7μF。选择电容器时，要考虑其初始公差、温度变化和直流偏置降额等因素，较大的 COUT_IBB 值可以改善负载瞬态性能和纹波性能，但会增加软启动期间的输入浪涌电流。输出滤波器电容器的 ESR 应足够低，以满足输出纹波和负载瞬态要求，其电容应足够高，以吸收电感在从满载到空载过渡时的能量。建议使用具有 X5R 或 X7R 电介质的陶瓷电容器，对于低电压范围（- 17.01V 至 - 24V）的应用，建议使用额定电压为 50V 的电容器以提高可靠性；对于高电压范围（- 10.01V 至 - 17V）的应用，建议使用额定电压为 35V 的电容器。
5. 升压电感：电感的选择对升压电源转换器的稳态运行、瞬态行为和环路稳定性至关重要。MAX77720 升压转换器设计用于 4.7μH 至 15μH 的电感值，同时应选择饱和电流大于或等于编程峰值电流限制设置（IBST_ILIM）的电感。可以通过相关公式计算电感的峰值电流，一般建议根据 VOUT_BST 设置选择电感值（如 VOUT_BST 在 5.5 至 7V 时选择 4.7μH，7 至 9V 时选择 6.8μH 等）。
6. 升压输出电容器：为了确保升压转换器的稳定运行，输出电压在 8V 及以下时，输出电容（COUTBST）应至少为 12μF；输出电压高于 8V 时，应至少为 6μF。与反相降压 - 升压转换器类似，要考虑电容器的初始公差、温度变化和直流偏置降额等因素。对于输出电压范围在 14V 及以上的应用，建议使用额定电压为 35V 或 50V 的电容器；对于输出电压范围低于 14V 的应用，建议使用额定电压为 20V 或更高的电容器。输出电容器会影响升压转换器的小信号控制环路稳定性，增加输出电容可使输出电压纹波更小，在 (V{IN}) 接近 VOUT_BST 的应用中，需要更多的输出电容来最小化输出电压纹波。

（三）PCB 布局

精心设计的印刷电路板（PCB）布局对于实现低开关功率损耗和干净稳定的操作至关重要。布局时应遵循以下一般准则：

1. 将 DC - DC 转换器的电感和输出电容器靠近 MAX77720 放置，以减小功率环路的尺寸。
2. 在布线 DC - DC 转换器的电流路径时，使用短而宽的走线，以减少快速开关产生的电磁干扰（EMI）问题，其中 LX 引脚与电感之间的走线最为关键。
3. 输入和输出电容器的接地环路应尽可能小。
4. 对于多层 PCB，模拟接地（AGND）应设置为独立平面，电源接地（PGND）也应设置为独立平面，AGND 应直接连接到接地平面，以确保 AGND 的安静接地平面并避免公共阻抗接地。
5. 反馈引脚应远离 LX 开关节点进行布线，以提高抗噪能力，因为该引脚是高阻抗输入，对噪声非常敏感。
6. 尽可能使用接地平面和走线来屏蔽反馈信号，以最小化噪声和磁干扰，对于多层 PCB，应在高电流路径和任何模拟或数字路径之间设置接地平面。

五、总结

MAX77720 宽输出电压范围、双极性 PMIC 凭借其出色的性能、灵活的配置选项和丰富的保护功能，为智能物联网设备中的 ToF 传感器、OLED 显示器等应用提供了理想的电源管理解决方案。在实际设计过程中，工程师需要根据具体的应用需求，合理选择外部组件并优化 PCB 布局，以充分发挥该器件的优势，确保设备的稳定运行。大家在使用 MAX77720 的过程中，有没有遇到什么特别的问题或者独特的应用体验呢？欢迎在评论区分享交流。