高性能降压 - 升压转换器MAX77847：设计详解与应用指南

在如今的电子设备中，电源管理芯片的性能直接影响着设备的整体表现。今天，我们就来深入探讨一款高性能的降压 - 升压转换器——MAX77847，看看它有哪些独特之处，以及如何在实际设计中发挥其优势。

文件下载：MAX77847.pdf

一、产品概述

MAX77847是一款专为电池供电应用而设计的高效能降压 - 升压调节器。它具有行业领先的14μA静态电流，支持1.8V至5.5V的输入电压范围和1.8V至5.2V的输出电压范围，并且提供两个可编程的开关电流限制，能根据负载需求优化外部组件的尺寸。其独特的降压 - 升压控制器技术，确保了高效率、出色的负载和线路瞬态性能，以及在输入和输出范围内的无缝模式转换。

二、关键特性与优势

2.1 灵活的系统集成

该芯片提供了硬件配置SEL引脚，可配置默认输出电压和I²C目标地址。同时，硬件动态电压缩放（DVS）引脚允许用户在不干扰I²C的情况下，在两个输出电压之间切换输出电压。此外，I²C接口可选，用户可以以50mV的步长调整输出电压。

2.2 宽输入输出电压范围

输入电压范围为1.8V至5.5V，输出电压范围为1.8V至5.2V（50mV步长），能够满足多种不同的电源需求。

2.3 高开关电流限制

提供4.5A/3.6A的开关电流限制，可根据实际应用场景进行选择。

2.4 超低静态电流

仅14μA的超低IQ，有助于延长电池续航时间。

2.5 多种工作模式

支持SKIP模式和强制PWM（FPWM）模式。SKIP模式可在轻载时提高效率，而FPWM模式则适用于对输出纹波要求较低的应用。

2.6 完善的保护功能

具备热关断、欠压锁定（UVLO）、过压保护和开关电流限制等保护功能，确保系统和设备的安全稳定运行。

三、引脚配置与功能

3.1 引脚配置

MAX77847采用15 - 凸点晶圆级封装（WLP），尺寸为2.18mm x 1.66mm。其引脚配置如下：	引脚区域	引脚编号	引脚名称	功能
A	1	IN	降压 - 升压输入，需用2x 10V 10µF X7R陶瓷电容旁路至PGND
A	2	LX1	输入侧降压 - 升压开关节点
A、B、C	3	PGND	电源地
A	4	LX2	输出侧降压 - 升压开关节点
A	5	OUT	降压 - 升压电源输出，需用2x 10V X7R 10µF陶瓷电容旁路至PGND
B	1	BIAS	内部偏置电源，需用10V 2.2µF X7R陶瓷电容旁路至AGND，请勿外部加载该引脚
B	2	GPI	通用输入引脚，可配置为强制PWM模式控制输入或DVS控制输入
B	4	EN	降压 - 升压使能输入
B	5	OUTS	降压 - 升压输出电压感测输入，需连接到负载点的输出
C	1	SCL	I²C时钟输入（关断状态为高阻态），需上拉电阻连接到系统IO电源电压，若不使用则连接到AGND
C	2	SDA	I²C数据输入/输出（关断状态为高阻态），需上拉电阻连接到系统IO电源，若不使用则连接到AGND
C	4	AGND	模拟地
C	5	SEL	设备配置引脚，通过连接该引脚与AGND之间的电阻来配置输出电压和设备目标地址

3.2 引脚功能详解

• IN引脚：作为电源输入，旁路电容的选择至关重要，合适的电容可以有效滤除输入电压中的纹波和噪声，提高电源的稳定性。
• LX1和LX2引脚：分别作为输入侧和输出侧的开关节点，与电感配合实现能量的存储和释放。
• OUT引脚：输出电源，同样需要旁路电容来稳定输出电压。
• GPI引脚：具有灵活的配置功能，可根据实际需求选择作为FPWM或DVS控制输入。
• SEL引脚：通过连接不同阻值的电阻到AGND，可以配置启动输出电压和I²C目标地址，为系统设计提供了更多的灵活性。

四、工作模式与控制方案

4.1 降压 - 升压控制方案

MAX77847采用四开关H桥架构，可在降压、升压和降压 - 升压模式下工作。该拓扑结构能够在整个输入电压范围内保持输出电压的稳定，并根据输入和输出电压的变化实现平滑的模式转换。其控制方案采用2.2MHz固定频率脉冲宽度调制（PWM）控制，并结合电流模式补偿，通过四个FET开关在四个不同阶段进行控制：

• 阶段1（Φ1）：HS1和LS2开关导通，电感电流以 (dI{L}/dt = V{IN}/L) 的速率上升，将能量存储在电感中。
• 阶段2（Φ2）：HS1和HS2开关导通，根据输入和输出电压的差异，电感电流可能上升或下降。在升压模式下， (V{OUT} > V{IN}) ，电感电流下降；在降压模式下， (V{IN} > V{OUT}) ，电感电流上升，变化速率为 (dI{L}/dt = (V{IN} - V_{OUT})/L) 。
• 阶段3（Φ3）：LS1和HS2开关导通，电感电流以 (dI{L}/dt = -V{OUT}/L) 的速率下降，释放电感中的能量。
• 阶段4（Φ4）：LS1和LS2开关导通，将电感与输入和输出电压断开。

4.2 SKIP模式和强制PWM（FPWM）模式

• SKIP模式：在轻载或无负载条件下，芯片自动进入SKIP模式，输出电压在SKIP模式上限阈值（VSKIP_UPPER）和下限阈值（VSKIP_LOWER）之间调节，以提高轻载效率。
• FPWM模式：通过I²C接口将CFG(0x01)寄存器中的FPWM[0]位字段设置为0b1，或在GPI引脚编程为FPWM功能时将其拉高，可使芯片进入FPWM模式。FPWM模式适用于对输出纹波要求较低的应用。

五、启动与关机

5.1 启动过程

当EN引脚置高时，芯片开启内部偏置电路，通常需要100μs（TON_DLY）来稳定。对于MAX77847A（MAX77847B），CFG(0x01)寄存器中的EN[0]位字段默认设置为0b0（0b1）。当通过I²C将EN[0]设置为0b1时，控制器会感测SEL引脚电阻以设置参考电压，RSEL读取大约需要450μs（TSEL）。读取RSEL值后，芯片开始软启动过程，为了限制启动时的浪涌电流，开关电流限制水平（ILIM_SS）会降低到ILIM的一半左右。当输出电压达到目标调节点（VTARGET的90%）时，软启动时间结束，再经过100μs的过渡时间，芯片切换到正常开关控制（SKIP模式/FPWM），开关电流限制增加到ILIM。

5.2 关机条件

当MAX77847被EN[0]位字段禁用、EN引脚拉低或因保护功能锁定时，转换器停止开关操作。此后，芯片会打开OUT和PGND之间的有源放电开关，快速放电输出电容。以下几种情况会导致锁定：

• 热关断（TSHDN）
• 软启动超时（TSS）
• 连续约2ms的ILIM事件
• 欠压锁定（UVLO）

只有在故障条件从系统中消除，并且VIN、EN[0]位字段或EN引脚进行循环操作后，输出才能重新启用。

六、保护功能

6.1 热关断

芯片内部的热保护电路会监测管芯温度，当管芯温度超过热关断保护阈值TSHDN（典型值为+150˚C）时，降压 - 升压功能会锁定。只有在管芯温度冷却15˚C后，通过切换VIN、循环EN[0]位字段或EN引脚，才能重新启用降压 - 升压输出。

6.2 欠压锁定（UVLO）

当输入电压VIN低于VUVLO_falling阈值时，UVLO功能会防止芯片在异常输入电压条件下工作。无论EN[0]位字段的状态如何，芯片都会禁用，直到输入电压VIN上升到VUVLO_rising阈值以上。之后，需按照启动部分的步骤启用降压 - 升压转换器。

6.3 过压保护

芯片会检测OUT和OUTS之间的电压差，当电压差（OUT - OUTS）超过OVP阈值电压水平（典型值为0.5V）时，芯片会关闭所有开关，防止OUTS = OPEN条件下输出电压超过安全工作范围，并与软启动超时定时器（TSS）配合关闭开关转换器。此外，当OUTS检测到电压超过目标输出值的20%（当OUT目标设置高于5V时为10%）时，芯片会关闭，并设置STAT(0x00)寄存器中的OVP[0]位字段。

6.4 开关电流限制

MAX77847具有强大的开关电流限制方案，可在过载和快速瞬态条件下保护芯片和电感。电流传感电路从高端MOSFET获取电流信息，以确定峰值开关电流（ (R{DS(ON)} × I{L}) ）。芯片提供4.5A（典型值）和3.6A（典型值）两种不同的开关电流限制水平，可通过I²C接口使用CFG(0x01)寄存器中的ILIM[0]位字段进行编程。如果开关电流达到电流限制（ILIM）约2ms，芯片会锁定输出，可通过循环EN[0]位字段、EN引脚或VIN来重新启用降压 - 升压功能。

七、I²C接口

7.1 系统配置

I²C总线是一个多控制器总线，MAX77847在I²C总线上作为目标设备，既可以作为发送器也可以作为接收器。I²C总线由双向串行数据线（SDA）和串行时钟（SCL）组成，是一个开漏总线，SDA和SCL需要上拉电阻（500Ω或更大）。可选的24Ω电阻串联在SDA和SCL上，有助于保护设备输入免受总线上的高压尖峰影响，同时减少串扰和总线线路上的下冲。

7.2 通信协议

• 写入单个寄存器：控制器发送START条件，然后发送7位目标地址和写位（R/ (bar{W} = 0) ），目标设备确认后，控制器发送8位寄存器指针和数据字节，目标设备再次确认后，数据字节在SCL上升沿加载到目标寄存器并生效。最后，控制器发送STOP条件或REPEATED START条件。
• 写入顺序寄存器：与写入单个寄存器类似，但控制器在收到第一个数据字节后继续写入，直到完成所有数据的写入，然后发送STOP或REPEATED START条件。
• 读取单个寄存器：控制器发送START条件，发送7位目标地址和写位，目标设备确认后，发送8位寄存器指针，再发送REPEATED START命令，发送7位目标地址和读位，目标设备确认后，将指定寄存器位置的8位数据放在总线上，控制器发送NOT - ACKNOWLEDGE，最后发送STOP条件或REPEATED START条件。
• 读取顺序寄存器：与读取单个寄存器类似，但控制器在收到数据后发送ACKNOWLEDGE以表示需要更多数据，直到获取所有数据后发送NOT - ACKNOWLEDGE和STOP条件。

八、应用信息

8.1 输入电容选择

使用2x 10V、X7R、10μF的标称输入电容（ (C{IN}) ）旁路IN引脚。较大的电容值可以提高降压 - 升压调节器的去耦能力，并过滤系统中的开关噪声。在降压模式下，输入电容的RMS电流额定值需要高于 [I{RMS}=sqrt {Dtimes(1 - D)× I{o}^{2}+(D× dI^{2}/12)}] ，其中 (dI) 是电感电流纹波，D是占空比， (I{o}) 是负载电流。必要时可考虑使用多个电容并联以满足该规格。

8.2 输出电容选择

最小有效输出电容为4.7μF，以确保小的输出纹波和降压 - 升压调节器的稳定运行。在选择输出电容时，需要仔细考虑电容的初始公差、温度变化和直流偏置电压的降额。推荐大多数应用使用16V、22μF的陶瓷电容，X7R电介质的陶瓷电容具有更好的有效电容和电容公差，能适应偏置电压和温度的变化。典型应用电路使用2 x 10μF、10V、X7R电容。

8.3 电感选择

MAX77847的电流传感电路和补偿环路针对1μH电感进行了优化。推荐选择饱和电流大于或等于峰值电流限制设置（ILIM），并且RMS电流额定值基于给定最大负载电流下预期的连续峰值电感电流的电感。较低的DCR可以提高降压 - 升压效率。表3列出了不同ILIM选项的推荐电感。

8.4 PCB布局指南

• 输入电容 (C{IN}) 和输出电容 (C{OUT}) 应分别紧邻IC的IN引脚和OUT引脚放置，电容的接地引脚与IC的PGND引脚之间的走线应通过组件安装层进行布线，以最小化走线寄生效应。走线应尽可能短而宽。
• 电感应紧邻LX凸点/引脚放置，电感走线应通过过孔进行布线，LX凸点/引脚与电感之间的走线应短而宽，以最小化PCB走线阻抗。必要时可在多层上布线LX走线以进一步降低阻抗，同时避免LX走线占用过多面积。
• PCB的低阻抗接地平面应优先位于IC、 (C{OUT}) 、 (C{IN}) 和电感的正下方，避免切割该接地平面，以免中断开关电流环路。
• AGND应小心连接到PCB低阻抗接地平面上的PGND，远离任何关键环路。
• IC的BIAS引脚需要与IN相同的电源输入，应使用专用电容（CBIAS）尽可能靠近IC进行旁路，并通过专用走线连接CBIAS和BIAS凸点/引脚，避免直接连接到最近的IN凸点/引脚而不进行专用旁路。
• OUTS凸点/引脚应通过专用走线连接到调节点，远离LX1和LX2等噪声网络。
• 电源走线和负载连接应短而宽，以确保高转换器效率。
• 不要忽视陶瓷电容的直流电压降额，应仔细选择电容值和封装尺寸。

九、总结

MAX77847作为一款高性能的降压 - 升压转换器，具有宽输入输出电压范围、超低静态电流、灵活的工作模式和完善的保护功能等优点。在实际设计中，合理选择外部组件（如电容、电感）和优化PCB布局，可以充分发挥其性能优势，为各种电池供电应用提供稳定、高效的电源解决方案。电子工程师们在使用MAX77847时，需要根据具体的应用需求，仔细配置芯片的参数和外部电路，以实现最佳的系统性能。大家在实际应用中有没有遇到过类似芯片的使用问题呢？欢迎在评论区分享交流。