MAX77642/MAX77643：低功耗应用的高效电源管理解决方案

在当今电子设备追求小型化、低功耗和长续航的趋势下，电源管理集成电路（PMIC）的性能和功能显得尤为关键。Analog Devices的MAX77642/MAX77643就是这样一款专为低功耗应用设计的高度集成PMIC，它以其出色的性能和灵活的配置能力，为各类电子设备提供了理想的电源解决方案。

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一、产品概述

MAX77642/MAX77643是一款针对尺寸和效率要求极高的低功耗应用而设计的PMIC。它集成了一个单电感多输出（SIMO）降压 - 升压调节器，可通过单个电感提供三个独立可编程的电源轨，有效减小了整体解决方案的尺寸。同时，还配备了一个150mA的低压差线性稳压器（LDO），可为音频等对噪声敏感的应用提供纹波抑制功能，并且该LDO还可配置为负载开关，以在不需要时断开外部模块，从而管理功耗。

1.1 产品差异

MAX77642和MAX77643在功能上存在一些差异。MAX77642的SIMO和LDO输出电压通过电阻单独可编程，而MAX77643则通过 (I^{2} C) 接口进行单独编程，并且还包含两个具有备用模式的通用输入输出（GPIO）引脚以及一个看门狗定时器，为系统提供了更高的可扩展性和安全性。

1.2 应用领域

该产品适用于多种低功耗应用场景，包括下一代可听设备、健身与健康活动监测器、安全与安保监测器以及便携式消费设备等。

二、产品特性与优势

2.1 高度集成

• 单电感多输出（SIMO）降压 - 升压调节器：具备三个输出通道，支持0.5V至5.5V的宽输出电压范围，为不同的负载提供了灵活的电源选择。
• 150mA LDO：可为对噪声敏感的应用提供稳定的电源，并且在负载开关（LSW）模式下可提供100mA的电流。
• GPIO和看门狗定时器（MAX77643）：两个GPIO引脚增加了系统的灵活性，看门狗定时器则提高了系统的可靠性，可防止系统因软件故障而死机。

2.2 超低功耗SIMO

• 低工作电流：3个SIMO通道和1个LDO的总工作电流仅为5μA，每个SIMO通道的工作电流为1μA，关机电流低至0.3μA，有效延长了电池续航时间。
• 高效率：在仅升压模式下，峰值效率可达93%；在仅降压模式下，峰值效率可达91%，并且在 (V_{OUT }=1.8 ~V) 时，输出纹波小于20mVpp。
• 自动模式转换：可自动在低功耗模式和正常功耗模式之间转换，以适应不同的负载需求。

2.3 灵活可配置

• 输出电压可编程：MAX77642通过电阻实现输出电压可编程，而MAX77643则通过 (I^{2} C) 接口进行编程，为不同的应用场景提供了灵活的配置方式。

2.4 小尺寸封装

采用4.24mm²的晶圆级封装（WLP），25个凸点，间距为0.4mm，呈5 x 5阵列，节省了电路板空间。

三、关键技术细节

3.1 全局资源

3.1.1 电压监测器

通过三个比较器（POR、UVLO和OVLO）监测系统电压（VSYSA），确保设备在不同电压条件下的正常运行。这些比较器具有迟滞功能，可防止在系统电压波动时输出状态频繁切换。

• POR比较器：在电源上电时生成复位信号，确保设备在电压稳定后正常启动。
• UVLO比较器：当VSYSA低于欠压锁定阈值时，生成SYSAUVLO信号，通知顶层数字控制器采取相应措施。
• OVLO比较器：当电源电压超过过压锁定阈值时，禁止设备运行，提高了设备在异常电压环境下的可靠性。

3.1.2 热监测器

当结温达到145°C时，设备自动关机，保护设备免受过热损坏。

3.1.3 手动复位和唤醒事件

nEN输入可用于手动复位设备，并且在输入断言时可触发唤醒事件，使设备从关机状态恢复运行。

3.1.4 中断处理和GPIO

中断输出（nIRQ）可将设备的重要状态变化通知给主机处理器，所有中断均可屏蔽。两个GPIO引脚可配置为输入或输出，并且在输出模式下可选择推挽或开漏模式，为系统提供了更多的控制和通信方式。

3.2 SIMO降压 - 升压调节器

3.2.1 工作原理

采用单电感多输出架构，通过一个电感为三个输出通道提供电源。该调节器可根据输入和输出电压的关系，自动在降压、升压和降压 - 升压模式之间切换，以实现高效的电源转换。

3.2.2 输出电压和峰值电流配置

每个输出通道的电压和峰值电流均可独立配置。MAX77642通过连接相应的电阻到GND来设置输出电压和峰值电流，而MAX77643则通过 (I^{2} C) 接口加载配置寄存器来实现。

3.2.3 软启动功能

通过限制输出电压的上升速率，减少了启动时的浪涌电流，保护了设备和电池。

3.2.4 降压和升压模式（MAX77643）

当输入电压始终高于或低于输出电压时，可将单个通道配置为降压或升压模式，以进一步提高效率。在降压模式下，仅切换两个开关，减少了开关损耗；在升压模式下，同样通过减少开关切换次数和降低电感电流，提高了效率。

3.3 低压差线性稳压器（LDO）/负载开关（LSW）

3.3.1 输出电压配置

MAX77642通过连接电阻到GND来设置LDO的输出电压，而MAX77643则通过 (I^{2} C) 接口加载配置寄存器来实现。

3.3.2 软启动和有源放电功能

软启动功能通过限制输出电压的上升速率，减少了启动时的浪涌电流。有源放电电阻可在LDO禁用时，帮助输出电压快速放电，确保系统的及时断电。

3.3.3 负载开关配置

LDO可配置为负载开关，通过控制输出电压的下降速率，实现从LDO模式到负载开关模式的平滑过渡。

3.4 (I^{2} C) 串行通信

3.4.1 通信协议

支持 (I^{2} C) 修订版3.0的串行通信协议，时钟频率范围为0Hz至3.4MHz，包括标准模式、快速模式、快速模式加和高速模式。

3.4.2 数据传输和地址配置

通过SDA和SCL两条线进行数据传输，每个数据传输序列由START和STOP条件框定，每个数据字节后跟随一个确认位。设备的 (I^{2} C) 从地址可通过工厂一次性可编程（OTP）选项进行配置，以避免总线冲突。

3.4.3 高速模式

通过特定的协议可进入高速模式，使总线运行速度可达3.4MHz，提高了数据传输效率。

四、设计建议

4.1 元件选择

4.1.1 电感选择

建议选择1.0μH至2.2μH的电感，其中1.5μH的电感在大多数设计中表现最佳。电感的饱和电流应大于或等于所有SIMO通道的最大峰值电流限制，RMS电流额定值应根据系统的预期负载电流进行选择。

4.1.2 电容选择

• 输入电容：选择10µF的输入旁路电容，其ESR/ESL应非常低，建议使用X5R或X7R介质的陶瓷电容。
• 升压电容：选择10nF的升压电容，建议使用0201或0402封装的陶瓷电容。
• 输出电容：根据目标输出电压纹波选择输出旁路电容，典型值为22μF。电容的ESR和ESL应很低，同样建议使用X5R或X7R介质的陶瓷电容。

4.2 PCB布局

4.2.1 电容布局

将去耦电容尽可能靠近IC放置，确保电容引脚到IC引脚和接地引脚的连接短，以降低寄生电感和电阻。对于开关调节器的电容（IN_SBB处的输入电容和SBBx处的输出电容），布局尤为关键。

4.2.2 电感布局

将电感靠近IC放置，减少走线电阻。使用适当宽度的走线连接LXA、电感和LXB，以支持电感的峰值电流。

4.2.3 接地连接

使用宽而连续的铜平面连接PGND和电容接地，确保噪声不会从功率地进入模拟地。避免将GND引脚直接连接到其他高电流或嘈杂的电路接地。

五、总结

MAX77642/MAX77643以其高度集成、超低功耗、灵活可配置和小尺寸封装等优势，为低功耗应用提供了全面而高效的电源管理解决方案。在设计过程中，合理选择元件和优化PCB布局，能够充分发挥该产品的性能，满足不同应用场景的需求。电子工程师们在开发下一代可听设备、健身监测器、安全设备和便携式消费设备等产品时，不妨考虑采用MAX77642/MAX77643来实现长电池续航和稳定的电源供应。大家在实际应用中是否遇到过类似产品的其他问题呢？欢迎在评论区分享交流。