MAX77813：高效的5.5V输入、2A降压 - 升压转换器

在如今的电子设备设计中，电源管理芯片的性能和效率至关重要。今天我们要介绍的是Analog Devices公司的MAX77813，一款专为单节Li⁺/Li - ion电池供电应用设计的高效降压 - 升压转换器。

文件下载：MAX77813.pdf

一、产品概述

MAX77813是一款同步升降压（buck - boost）DC - DC转换器，内置开关。它能在2.3V至5.5V的输入电压范围内工作，输出电压可通过I²C在2.60V至5.14V之间以20mV的步长进行配置，工厂默认启动电压选项有3.3V、3.4V和4.56V。该器件支持升压模式下高达2A的输出电流和降压模式下高达3A的输出电流，并且能在降压和升压模式之间无缝切换。

二、应用场景

2.1 单节Li⁺/Li - ion电池供电设备

由于其输入电压范围适合单节锂电池的输出特性，MAX77813可广泛应用于各种由单节Li⁺/Li - ion电池供电的设备，如手持扫描仪、移动支付终端和安全摄像头等。这些设备通常对电源的效率和稳定性有较高要求，MAX77813正好能满足这些需求。

2.2 AR/VR头戴设备

在AR/VR头戴设备中，需要稳定的电源来保证设备的正常运行。MAX77813的高效性能可以减少电池的功耗，延长设备的续航时间，同时其小尺寸封装也适合集成到紧凑的头戴设备中。

三、特性与优势

3.1 宽输入输出电压范围

输入电压范围为2.30V至5.5V，输出电压范围为2.60V至5.14V（通过I²C以20mV步长可编程），这使得它能适应多种不同的电源和负载需求。

3.2 高输出电流能力

在升压模式下（(V{IN}=3.0V)，(V{OUT}=3.4V)，ILIM = High）可提供高达2A的输出电流，降压模式下（ILIM = High）可提供高达3A的输出电流，能满足大多数设备的功率需求。

3.3 高效率

峰值效率高达97%，并且具有SKIP模式，可在轻载时实现最佳效率，典型静态电流低至55µA。

3.4 保护特性

具备软启动、热关断、过压保护和过流保护等功能，能有效保护设备免受异常情况的损害，提高系统的可靠性。

3.5 小尺寸封装

采用2.13mm x 1.83mm的20 - bump晶圆级封装（WLP），节省了电路板空间，适合小型化设备的设计。

四、电气特性

4.1 降压 - 升压电气特性

在不同的输入电压、输出电压和温度条件下，MAX77813都有明确的电气参数。例如，输入电压范围为2.30V至5.5V，关机电源电流在不同温度下有不同的值，输出电压精度在不同模式下也有所差异。

4.2 I²C电气特性

支持I²C串行接口，时钟频率可在0Hz至3.4MHz之间，不同的总线速度有不同的时序要求。在标准模式、快速模式、快速模式加和高速模式下，对时钟频率、建立时间、保持时间等都有相应的规定。

五、工作原理

5.1 降压 - 升压控制方案

采用2.5MHz固定频率脉冲宽度调制（PWM）控制方案和电流模式补偿，利用H桥拓扑结构，通过一个电感和输出电容实现降压和升压功能。H桥拓扑有三个开关阶段，根据输入和输出电压的关系，在不同的阶段进行能量的存储和释放，从而实现电压的转换。

5.2 使能控制

通过EN引脚控制降压 - 升压输出的开启和关闭。EN引脚有一个800kΩ（典型值）的内部下拉电阻到AGND，可通过I²C接口清除EN_PD位来禁用内部下拉电阻。

5.3 峰值电感电流限制选择

通过ILIM引脚选择电感开关电流限制。将ILIM引脚拉高可设置电感开关电流限制为4.5A（典型值），拉低可设置为1.8A（典型值）。在软启动和突发模式下，电感电流限制会自动调整。

5.4 软启动

在启动延迟（tON_DLY）后，通过降低峰值电感电流限制（ILIM_LX）来实现软启动，控制启动时的浪涌电流，防止上游源阻抗引起的电压下降。

5.5 突发模式

用于处理短时间的重载瞬变（突发负载）。当重载瞬变需要的峰值电感电流超过ILIM_LX时，降压 - 升压会暂时将峰值电感电流限制提高到ILIM_LX_HIGH。如果重载持续时间超过800µs（典型值），突发模式将停用，峰值电感电流限制恢复到ILIM_LX。

5.6 电源正常（POK）输出

用于监测输出电压，需要一个外部上拉电阻（通常为10kΩ至100kΩ）。默认情况下POK为高电平有效，可通过POK_POL位改变其极性。当降压 - 升压输出达到目标调节电压的80%时，POK变为高电平；当输出降至目标的75%以下或降压 - 升压被禁用时，POK变为低电平。

5.7 输出电压选择和斜率控制

通过I²C写入VOUT[6:0]位域来配置目标输出电压，范围为2.60V至5.14V，步长为20mV。当输出电压目标改变时，输出电压会以RU_SR（20mV/μs或40mV/μs）的速率上升，以RD_SR（5mV/μs或10mV/μs）的速率下降。

5.8 输出过压保护（OVP）

内部有过压保护电路，当输出电压超过OVP_TH[1:0]位域设置的过压阈值时，降压 - 升压会禁用。可通过I²C将OVP_TH[1:0]编程为0b00来禁用OVP，默认过压阈值为目标VOUT的120%。

5.9 热关断

内部有热保护电路，当芯片温度超过TSHDN（典型值为+165°C）时，降压 - 升压会禁用；当芯片温度冷却约20°C后，降压 - 升压会再次启用。

六、应用信息

6.1 电感选择

对于ILIM = HIGH，应选择饱和电流为7A或更高的1μH电感；对于ILIM = LOW，应选择饱和电流为3.4A或更高的1μH电感。文档中推荐了一些具体的电感型号，如TDK的TFM201610GHM - 1ROMTAA、TOKO的DFE322512C和Coilcraft的XAL4020 - 102MEB。

6.2 输入电容选择

输入电容（(C_{IN})）应选择10μF的陶瓷电容，且在工作电压下能保持至少2μF的有效电容。陶瓷电容具有小尺寸、低ESR和小温度系数的优点，推荐使用X5R或X7R介质的电容。

6.3 输出电容选择

为了保持输出电压纹波小和调节环路稳定，输出电容（(C_{OUT})）的有效电容应至少为16μF。对于大多数应用，推荐使用47μF、10V的电容。同样，陶瓷电容是较好的选择，需考虑其直流偏置特性和有效电容值。

6.4 PCB布局指南

PCB布局对于实现低开关功率损耗和稳定运行至关重要。需要使用高密度互连（HDI）PCB，并遵循以下指南：

• 将输入电容和输出电容分别放置在IC的IN引脚和OUT引脚旁边，以最小化输入和输出电流环路中的寄生电感。
• 将电感放置在靠近LX焊盘的位置，并使LX焊盘和电感之间的走线短而宽，以减少PCB走线阻抗。
• 优先考虑在IC、(C{OUT})、(C{IN})和电感下方设置低阻抗接地平面。
• 将AGND小心地连接到PCB低阻抗接地平面上的PGND。
• 为IC提供安静的电源输入（SYS），并使用专用电容（(C_{SYS})）进行旁路。
• 将FB焊盘通过专用走线连接到调节点，远离嘈杂的网络。
• 保持电源走线和负载连接短而宽，以提高转换器效率。
• 注意陶瓷电容的直流电压降额，仔细选择电容值和封装尺寸。

七、I²C串行接口

7.1 接口概述

MAX77813具有一个兼容I²C 3.0版本的2线串行接口，由双向串行数据线（SDA）和串行时钟线（SCL）组成。它是一个仅作为从设备的器件，依赖外部总线主设备生成SCL。支持0Hz至3.4MHz的SCL时钟速率，I²C是开漏总线，SDA和SCL需要上拉电阻（500Ω或更大）。

7.2 通信协议

支持多种通信协议，包括单寄存器写入、顺序寄存器写入、单寄存器读取和顺序寄存器读取。在不同的协议中，主设备和从设备之间通过发送和接收特定的信号和数据来完成通信。例如，在单寄存器写入协议中，主设备先发送起始条件、7位从设备地址和写位，从设备确认后，主设备再发送8位寄存器指针和数据字节，最后发送停止条件或重复起始条件。

7.3 高速模式

要进入高速模式，需要在总线速度为1MHz或更低时开始协议，主设备发送特定的8位主代码，从设备发出非确认信号，之后主设备可以将总线速度提高到3.4MHz并进行读写操作。

八、寄存器映射

8.1 寄存器复位条件

当出现欠压锁定（VSYS < VUVLO_F）或设备禁用（EN引脚为逻辑低）时，寄存器会复位到默认值。

8.2 寄存器详情

• DEVICE_ID（0x00）：只读寄存器，包含保留位，用于内部使用。
• STATUS（0x01）：只读寄存器，包含热关断状态、电源正常状态、输出过压状态和过流状态等信息。
• CONFIG1（0x02）：可读写寄存器，用于配置输出电压上升和下降的斜率、过压保护阈值、输出有源放电电阻启用和转换器模式等。
• CONFIG2（0x03）：可读写寄存器，用于控制降压 - 升压输出的软件启用、EN引脚输入下拉电阻的启用和电源正常（POK）输出引脚的极性等。
• VOUT（0x04）：可读写寄存器，用于设置输出电压目标，范围为2.60V至5.14V，以20mV为步长。

九、总结

MAX77813是一款功能强大、性能高效的降压 - 升压转换器，适用于多种单节Li⁺/Li - ion电池供电的应用场景。其丰富的特性和灵活的配置选项，使得工程师在设计电源管理电路时能够根据具体需求进行优化。在实际应用中，正确选择电感、电容等外部元件，并遵循合理的PCB布局指南，将有助于充分发挥MAX77813的性能，提高系统的稳定性和可靠性。你在使用MAX77813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。