MAX77680/MAX77681：高效3输出SIMO降压-升压调节器的设计与应用

在当今的电子设备设计中，对于小型化、低功耗和高效电源管理的需求日益增长。MAX77680/MAX77681作为一款3输出单电感多输出（SIMO）降压 - 升压调节器，凭借其出色的性能和丰富的功能，为低功耗应用提供了高度集成的电源解决方案。

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一、产品简介

MAX77680/MAX77681是一款3通道SIMO降压 - 升压调节器，仅需3μA的静态电流（IQ）即可调节三个独立的电压轨。它在2.7V至5.5V的输入电源下工作，输出电压可根据订购选项在0.8V至5.25V之间独立编程。每个输出都是降压 - 升压型，在降压和升压操作之间实现无干扰过渡，并且能够支持>300mA的负载（1.8VOUT，3.7VIN）。

（一）主要特性

1. 延长电池寿命：单电感多输出（SIMO）架构取代了低效的LDO，提高了电池使用寿命，同时在效率上与传统单输出降压调节器相竞争。
2. 低功耗：关机电流仅300nA，工作静态电流为3.0μA（3个SIMO通道开启），有效降低了整体功耗。
3. 高效与小型化：提高了整体系统效率，同时减小了尺寸，总解决方案尺寸仅为15.5 (mm^{2})。
4. 灵活的电源排序：集成了灵活的电源排序器（FPS），可控制每个输出的上电/下电顺序，默认输出电压和顺序可在工厂进行编程，还可通过 (I^{2} C) 串行接口进一步配置。
5. 无干扰降压 - 升压操作：在降压、降压 - 升压和升压模式之间实现无干扰过渡，确保稳定的电源输出。

（二）应用领域

1. 可听设备：如蓝牙耳机和耳塞。
2. 可穿戴设备：包括健身、健康和活动监测器。
3. 运动相机和可穿戴/身体相机。
4. 低功耗物联网设备。

二、技术细节

（一）绝对最大额定值

在设计过程中，必须严格遵守器件的绝对最大额定值，以确保器件的安全和可靠性。例如，nEN、PWR_HLD、nIRQ、nRST到GND的电压范围为 - 0.3V至VSYS + 0.3V，SCL、SDA到GND的电压范围为 - 0.3V至VIO + 0.3V等。

（二）电气特性

1. 顶级电气特性：包括工作电压范围、关机电源电流、静态电源电流、上电复位（POR）阈值、欠压锁定（UVLO）阈值、过压锁定（OVLO）阈值等。例如，工作电压范围为2.7V至5.5V，关机电源电流在不同模式下有所不同，静态电源电流在不同偏置模式下也有差异。
2. SIMO降压 - 升压电气特性：输出电压范围、输出电压精度、定时特性、功率级特性等。不同通道的输出电压范围有所不同，如SBB0的输出电压范围为0.8V至2.375V（MAX77680），输出电压精度在不同温度下有一定的波动。
3. (I^{2} C) 串行接口电气特性：包括VIO电压范围、VIO偏置电流、SDA和SCL的输入输出特性、时钟频率等。支持0Hz至3.4MHz的SCL时钟速率，不同模式下的接口时序有相应的要求。

（三）典型工作特性

通过典型应用电路的测试，得到了一系列的工作特性曲线，如关机电源电流与电池电压的关系、静态电源电流与电池电压和温度的关系、SIMO效率与输出电流的关系、SIMO负载调节与输出电流的关系等。这些曲线可以帮助工程师更好地了解器件在不同条件下的性能，从而进行合理的设计。

（四）引脚配置与功能

器件采用30引脚晶圆级封装（WLP），每个引脚都有特定的功能。例如，PWR_HLD是高电平有效电源保持输入，nEN是低电平有效使能输入，SDA和SCL是 (I^{2} C) 数据和时钟线，nRST是低电平有效、开漏复位输出等。

（五）详细工作原理

1. 电压监测：包括SYS POR比较器、SYS欠压锁定比较器和SYS过压锁定比较器。这些比较器可以监测系统电压，确保器件在合适的电压范围内工作。
2. nEN使能输入：nEN是一个内部去抖的低电平有效数字输入，通常来自系统的开机键。它可以配置为按钮模式或滑动开关模式，用于启动SIMO的唤醒信号。
3. 中断（nIRQ）：nIRQ是一个低电平有效、开漏输出，用于向主机处理器发送器件状态的重要变化信号。
4. 复位输出（nRST）：nRST是一个开漏、低电平有效输出，用于在器件断电时将处理器保持在复位状态。
5. 电源保持输入（PWR_HLD）：PWR_HLD是一个高电平有效数字输入，用于保持电源处于开启状态。
6. 开关控制器：开关控制器监测多个上电和断电条件，以启用或禁用SIMO通道。它可以通过硬件（开机键）输入或 (I^{2} C) 接口来控制SIMO的开启和关闭。
7. 灵活的电源排序器（FPS）：FPS允许SIMO通道在硬件或软件控制下上电，每个通道可以独立或一起上电，并具有可调节的上电和断电延迟。

（六）SIMO降压 - 升压详细描述

1. 架构与优势：采用微功耗单电感多输出（SIMO）降压 - 升压DC - DC转换器，使用单个电感调节三个独立输出，节省了电路板空间，同时提供了比等效的降压和线性调节器更好的系统效率。
2. 控制方案：SIMO降压 - 升压设计用于同时为多个输出提供服务，专有控制器确保所有输出都能及时得到服务。当没有调节器需要服务时，状态机处于低功耗休息状态。
3. 软启动：软启动功能通过限制启动期间输出电压的斜率来限制浪涌电流，减少了启动时的输入电流冲击。
4. 输出电压配置：每个SIMO降压 - 升压通道都有一个专用寄存器，用于编程其目标输出电压和峰值电流限制，还可以控制有源放电电阻的启用和禁用。
5. 有源放电电阻：每个通道都有一个有源放电电阻，根据ADE_SBBx和SIMO调节器的状态自动启用或禁用，有助于确保系统外设的完全和及时断电。
6. 效率：效率随电感选择、峰值电感电流、驱动强度和输入输出电压比而变化，每个通道的效率性能相同。
7. 可用输出电流：给定SIMO通道的可用输出电流是输入电压、输出电压、峰值电流限制设置和其他SIMO通道输出电流的函数。

（七）元件选择

1. 电感选择：建议选择1.0μH至2.2μH的电感，大多数设计推荐1.5μH。电感的饱和电流应大于或等于所有SIMO降压 - 升压通道使用的最大峰值电流限制设置，RMS电流额定值应根据系统的预期负载电流来选择。
2. 输入电容选择：使用最小10µF的陶瓷电容（CIN_SBB）旁路IN_SBB到GND，建议使用X5R或X7R介质的陶瓷电容，其ESR/ESL应非常低。
3. 升压电容选择：选择3.3nF的升压电容（CBST），推荐使用0201或0402封装的陶瓷电容。
4. 输出电容选择：根据所需的输出电压纹波选择每个输出旁路电容（CSBBx），通常为10μF。电容的阻抗应非常低，建议使用X5R或X7R介质的陶瓷电容。

（八）PCB布局

良好的PCB布局对于实现最佳性能至关重要。应尽量减少SIMO输入电容环路和输出电容环路的寄生电感，使用宽走线连接电感以减小电阻，但不要使走线过大，以免增加噪声耦合。可以参考MAX77680/MAX77681评估套件（MAX77680EVKIT#）的PCB布局。

三、应用电路

（一）使用硬件开机键启用的SIMO调节器

该电路通过系统的开机键（nEN）来启动SIMO调节器，适合需要硬件控制的应用场景。

（二）使用软件启用控制的SIMO调节器

该电路通过 (I^{2} C) 接口来控制SIMO调节器的开启和关闭，适合需要软件灵活控制的应用场景。

四、设计建议与注意事项

1. 在设计过程中，要严格遵守器件的绝对最大额定值，避免因过压、过流等情况导致器件损坏。
2. 合理选择电感、电容等元件，根据具体的应用需求和性能要求进行优化。
3. 注意PCB布局，减少寄生电感和噪声耦合，确保系统的稳定性和可靠性。
4. 对于未使用的SIMO输出，不要让其悬空，应根据具体情况进行处理，如连接到地、电源输入或其他电源输出。

MAX77680/MAX77681为低功耗应用提供了一个高效、灵活的电源管理解决方案。通过深入了解其技术细节和应用要求，工程师可以更好地进行设计，实现系统的最佳性能。在实际设计中，你是否遇到过类似电源管理芯片的应用挑战呢？欢迎在评论区分享你的经验和见解。