MAX38886：高效的超级电容备份应用充放电调节器

引言

在电子设备的设计中，为系统提供可靠的备用电源是至关重要的。尤其是在一些关键应用场景，如工业手持设备、便携式计算机等，当主电源出现故障或被移除时，需要有一个备用电源来维持系统的正常运行。MAX38886 作为一款专门为超级电容备份应用设计的充放电调节器，为解决这一问题提供了出色的解决方案。

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产品概述

MAX38886 是一款灵活的存储电容或电容组备份调节器，它能够在存储元件（如超级电容）和系统电源轨之间高效地传输功率。该调节器采用可逆的降压和升压操作，使用同一个电感器，实现了电源的双向转换。

主要特性

1. 宽电压输入输出范围：系统输出电压范围为 2.5V 至 5V，电容电压范围可达 4.5V。
2. 高电流能力：峰值电感放电电流高达 2.5A，充电时峰值电感电流可达 500mA。
3. 可编程性：可对存储元件的最小和最大电压、系统最小电压以及最大充放电电流进行外部编程。
4. 高精度阈值：阈值精度可达 ±2%。
5. 高效率：充放电效率高达 95%。
6. 低静态电流：就绪状态下静态电流仅为 2.5μA。
7. 小尺寸封装：采用 3mm x 3mm x 0.75mm 的 TDFN 封装，节省电路板空间。

工作模式

充电模式

当主电源存在且电压高于系统最小供电电压时，调节器工作在降压模式，以高达 500mA 的峰值电感电流对存储元件进行充电。存储元件充电完成后，电路仅消耗 2.5μA 的电流，使超级电容或其他存储元件保持就绪状态。

放电模式

当主电源被移除时，调节器切换到升压模式，防止系统电压降至最小工作电压以下。此时，它以高达 2.5A 的峰值电感电流对存储元件进行放电，为系统提供稳定的电源。

电气特性

电压范围

• 系统电压范围（VSYS）：2.5V 至 5V。
• 电容电压（VCAP）：最大可达 4.5V，最小为 0.5V。

电流特性

• 系统关机电流（ISYS_SD）：当 EN = 0V 时，典型值为 0.1μA。
• 系统充电电源电流（ISYS_CHG）：在特定条件下，典型值为 1.5mA。
• 系统备份电源电流（ISYS_BUP）：典型值为 35μA。
• 系统就绪电源电流（ISYS_RDY）：典型值为 2.5μA。

其他特性

• 开关频率（fSW）：在从电容提供最大电流时为 2MHz。
• LX 引脚的高低侧 FET 电阻：分别为 50 - 100mΩ（低侧）和 80 - 160mΩ（高侧）。

引脚配置与功能

引脚	名称	功能
1	SYS	系统电源轨，连接 2.5V 至 5V 的系统电源或可移除电池，并通过 22μF 电容旁路到 GND。
2 - 4、13	NC	无连接
5	ISET	充放电电流选择输入，通过连接到 GND 的电阻设置峰值放电和充电电流。
6	FBS	系统反馈输入，连接到从 SYS 到 GND 的电阻分压器中点。
7	GND	模拟地
8	CAPS	电容感应输入，连接到 CAP 引脚。
9	FBCH	电容反馈输入，连接到从 CAP 到 GND 的电阻分压器下端。
10	EN	使能输入，高电平使能调节器，低电平禁用并进入关机状态。
11	CAP	超级电容连接引脚。
12	LX	电感开关节点，连接 1.0μH 至 4.7μH 的电感器到 CAP。
14、EP	PGND	功率地

应用电路与参数配置

典型应用电路

典型应用电路中，主电源连接到 SYS 引脚，超级电容连接到 CAP 引脚，通过 LX 引脚连接的电感器实现能量的转换。电路中还包括反馈电阻分压器、旁路电容等元件，用于设置电压和电流阈值。

电压配置

• 超级电容电压配置：通过从 CAP 到 FBCH 再到 GND 的电阻分压器设置超级电容的最大电压。推荐 RCBOT 阻值为 499kΩ，电阻精度应达到 1% 或更高。计算公式为 (R{CTOP }=R{CBOT } timesleft(left(V_{CAPMAX / 0.5right)}-1right))。
• 系统电压配置：通过从 SYS 到 FBS 再到 GND 的电阻分压器设置系统的最小电压。推荐 RSBOT 阻值为 499kΩ，电阻精度应达到 1% 或更高。计算公式为 (R{STOP }=R{SBOT } timesleft(left(V_{SYSMIN } / 0.56right)-1right))。

电流配置

• 放电电流：通过在 ISET 引脚连接到 GND 的电阻设置峰值电感放电电流，计算公式为 (I{DISCHARGE }=2.5 A timesleft(20 k Omega / R{ISET }right))。
• 充电电流：超级电容充电电流内部设置为放电电流的 1/5，即 (I{CHARGE }=0.5 A timesleft(20 k Omega / R{ISET }right))。推荐 (RISET) 阻值在 20kΩ 至 100kΩ 之间，以确保准确的电流控制。

元件选择

电容选择

SYS 和 CAP 引脚的电容用于降低电流峰值和提高效率。推荐使用陶瓷电容，如 X5R 或 X7R 介质，大多数应用中建议使用 22μF 的陶瓷电容。

超级电容选择

超级电容的选择需要考虑在备份模式下为系统提供足够的能量。根据系统负载、备份时间和转换效率，可通过公式 (C{S C A P}=left(2 × V{S Y S} × I{S Y S} × t{B A C K U P}right) /leftleft(V{C A P M A X^{2}}-V{C A P M I N}^{2}right) × ηright) 计算所需的电容值。

电感选择

在大多数应用中，MAX38886 可使用 1μH 的电感器。如果需要更低的峰值电流，可选择更大的电感值，推荐电感范围为 1μH 至 4.7μH。不同电感值对应的 (RISET) 阻值推荐如下：	L (µH)	(kΩ) RISET
1 to 1.5	20 to 30
2.2	30 to 45
3.3	45 to 70
4.7	70 to 100

PCB 布局指南

• 减小寄生参数：尽量缩短走线长度，以减少寄生电容、电感和电阻，降低辐射噪声。
• 优化功率路径：保持 SYS、LX、CAP 和 PGND 的主功率路径紧凑和短小。
• 隔离反馈信号：反馈电阻分压器之间的走线应尽量短，并与嘈杂的功率路径隔离。
• 热设计：使用厚的 PCB 铜层，确保 SYS、LX、CAP 和 PGND 有足够的铜箔面积，以提高散热性能。TDFN 封装下的大散热焊盘应通过多个热过孔连接到内部 PGND 平面。

总结

MAX38886 以其出色的性能和丰富的特性，为超级电容备份应用提供了一个可靠、高效且紧凑的解决方案。电子工程师在设计各类需要备用电源的系统时，可以考虑使用 MAX38886 来提高系统的稳定性和可靠性。在实际应用中，合理选择元件和优化 PCB 布局是确保调节器性能的关键。你在使用类似调节器的过程中遇到过哪些问题呢？欢迎在评论区分享你的经验和见解。