MAX77640/MAX77641：超低压功耗PMIC的卓越之选

引言

在当今电子设备追求小型化、低功耗和高效能的时代，电源管理集成电路（PMIC）的性能显得尤为关键。MAX77640/MAX77641作为一款超低压功耗的PMIC，为众多对尺寸和效率要求苛刻的应用提供了理想的解决方案。本文将深入剖析这款PMIC的特性、应用场景以及设计要点，帮助电子工程师更好地了解和应用该产品。

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产品概述

MAX77640/MAX77641是一款专为对尺寸和效率有严格要求的应用而设计的低IQ电源解决方案。它集成了一个3输出单电感多输出（SIMO）降压 - 升压调节器、一个150mA的低压差线性稳压器（LDO）以及一个3通道电流吸收驱动器。该器件采用30凸点晶圆级封装（WLP），总解决方案尺寸仅为16mm²，非常适合空间受限的应用。

应用场景

• 可听设备：如蓝牙耳机和耳塞，对电源的尺寸和功耗要求极高，MAX77640/MAX77641能够满足其低功耗和小尺寸的需求。
• 可穿戴设备：包括健身、健康和活动监测器等，需要长时间的电池续航能力，该PMIC的低静态电流和高效能特性有助于延长设备的使用时间。
• 运动相机和可穿戴相机：在保证高性能的同时，对电源的稳定性和效率也有较高要求，MAX77640/MAX77641可以提供稳定的电源输出。
• 物联网设备：各种物联网小工具对电源的尺寸、功耗和效率都有严格的要求，这款PMIC能够满足其多样化的需求。

产品特性与优势

紧凑高效的电源解决方案

• 3输出单电感多输出（SIMO）降压 - 升压调节器：SIMO调节器能够在2.7V至5.5V的输入电压范围内工作，输出电压可在0.8V至5.25V之间独立编程，每个输出都具备降压 - 升压功能，且在降压和升压操作之间实现无干扰过渡。该调节器能够支持超过300mA的负载（1.8VOUT，3.7VIN），有效延长了电池寿命。
• 150mA LDO：为对噪声敏感的应用提供纹波抑制功能，确保电源的稳定性和纯净度。
• 3通道电流吸收驱动器：可通过编程实现LED的自定义闪烁模式，满足不同的显示需求。
• 灵活的电源排序：集成了电源排序器，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I²C串行接口进一步配置。

低静态电流

• 关机电流：仅为300nA，有效降低了设备在待机状态下的功耗。
• 工作电流：当3个SIMO通道和LDO都开启时，工作电流仅为5.6μA，显著提高了系统的整体效率。

小尺寸封装

采用2.75mm x 2.15mm（最大高度0.7mm）的30凸点WLP封装，0.4mm间距，6 x 5阵列，总解决方案尺寸仅为16mm²，非常适合对空间要求苛刻的应用。

电气特性分析

顶级电气特性

• 工作电压范围：VSYS为2.7V至5.5V，能够适应不同的电源输入。
• 关机电源电流：在不同工作模式下，关机电源电流在0.3μA至28μA之间，体现了其低功耗的特性。
• 静态电源电流：在不同工作模式下，静态电源电流在5.6μA至60μA之间，确保了系统在正常工作时的低功耗。
• 电源复位（POR）：POR阈值为1.6V至2.1V，具有100mV的滞后，保证了系统在电源上电时的稳定性。
• 欠压锁定（UVLO）：UVLO阈值可根据不同的配置在2.5V至2.95V之间调整，具有300mV的滞后，防止系统在欠压情况下工作。
• 过压锁定（OVLO）：OVLO阈值为5.70V至6.00V，确保系统在过压情况下的安全性。
• 热监测：过温锁定阈值为165°C，热报警温度分别为80°C和100°C，具有15°C的滞后，保护系统免受过热损坏。

SIMO降压 - 升压电气特性

• 输出电压范围：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，SBB1和SBB2的输出电压范围根据不同型号有所差异。
• 静态输出电压精度：在不同温度条件下，输出电压精度在±2.5%至±4.0%之间，保证了输出电压的稳定性。
• 定时特性：使能延迟为60μs，软启动斜率为3.3mV/μs至6.6mV/μs，确保了系统在启动时的平稳性。
• 功率级特性：LXA、LXB和BST的泄漏电流在不同温度条件下均控制在较低水平，保证了系统的效率。

LDO电气特性

• 输入电压：输入电压范围为1.8V至5.5V，能够适应不同的电源输入。
• LDO关机电流：最大为1μA，降低了系统在关机状态下的功耗。
• LDO静态电源电流：在不同工作条件下，静态电源电流在1.7μA至5.15μA之间，确保了系统在正常工作时的低功耗。
• 最大输出电流：为150mA，能够满足大多数应用的需求。
• 电流限制：典型电流限制为255mA，提供了短路保护功能。
• 输出电压范围：输出电压可在1.35V至2.9375V之间以12.5mV的步长进行编程，满足不同的应用需求。
• 静态特性：初始输出电压精度在±2.5%以内，输出电压精度在±3%以内，保证了输出电压的稳定性。
• 定时特性：使能延迟为0.6ms至1.25ms，软启动斜率为0.5mV/μs至2.50mV/μs，确保了系统在启动时的平稳性。
• 功率级特性：压降电压为90mV至180mV，压降导通电阻在不同温度条件下有所差异，保证了系统的效率。

电流吸收器电气特性

• 电流吸收器静态电流：当一个通道开启并提供12.8mA电流时，供应电流的变化在6μA至12μA之间。
• 电流吸收器泄漏电流：在不同温度条件下，所有电流吸收驱动器组合的泄漏电流控制在较低水平。
• 不同电流范围的特性：在3.2mA、6.4mA和12.8mA的电流范围内，最小吸收电流、最大吸收电流、电流吸收器DAC位数和电流吸收器DAC LSB等参数都有明确的规定，确保了电流吸收器的精确控制。
• 定时特性：根时钟频率为25.6Hz至38.4Hz，闪烁周期可在0.5s至8s之间进行编程，闪烁占空比可在6.25%至100%之间进行编程，满足不同的显示需求。

I²C串行接口电气特性

• 电源供应：VIO电压范围为1.7V至3.6V，能够适应不同的电源输入。
• SDA和SCL I/O级：输入高电压、输入低电压、输入滞后、输入泄漏电流、输出低电压、引脚电容等参数都有明确的规定，确保了I²C接口的稳定性和可靠性。
• I²C兼容接口定时：在不同的工作模式下，时钟频率、保持时间、SCL低周期、SCL高周期、设置时间、数据保持时间、数据设置时间、停止条件设置时间、总线空闲时间等参数都有明确的规定，保证了I²C通信的准确性和稳定性。

典型工作特性

通过一系列的图表展示了该PMIC在不同条件下的典型工作特性，包括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负载调节的关系等。这些特性有助于工程师更好地了解该PMIC在实际应用中的性能表现，从而进行合理的设计和优化。

引脚配置与功能

引脚配置

MAX77640/MAX77641采用30凸点WLP封装，引脚配置包括PWR_HLD、nEN、SDA、SCL、GPIO、nRST、nIRQ、SYS、GND、VIO、LDO、IN_LDO、LED0、LED1、LED2、LGND、IN_SBB、SBB0、SBB1、SBB2、BST、LXA、LXB、PGND等。

引脚功能

• PWR_HLD：高电平有效电源保持输入，用于保持电源开启状态。
• nEN：低电平有效使能输入，支持按钮或滑动开关配置，用于唤醒PMIC。
• SDA和SCL：I²C数据和时钟线，用于与外部设备进行通信。
• GPIO：通用输入/输出引脚，可配置为推挽或开漏模式，增加系统的灵活性。
• nRST：低电平有效、开漏复位输出，用于在设备断电时保持处理器处于复位状态。
• nIRQ：低电平有效、开漏中断输出，用于向主机处理器发送设备状态变化的信号。
• SYS：系统电源输出，为系统资源和设备控制逻辑提供电源。
• GND：安静接地，连接到PGND、LGND和PCB的低阻抗接地平面。
• VIO：I²C接口和GPIO驱动器电源。
• LDO：线性稳压器输出，可用于为音频、传感器等对噪声敏感的应用提供电源。
• IN_LDO：线性稳压器输入。
• LED0、LED1、LED2：电流吸收端口，用于驱动LED。
• LGND：电流吸收接地，连接到GND、PGND和PCB的低阻抗接地平面。
• IN_SBB：SIMO电源输入，连接到SYS并通过一个22μF陶瓷电容旁路到PGND。
• SBB0、SBB1、SBB2：SIMO降压 - 升压输出，分别为SIMO的三个通道提供电源。
• BST：SIMO高端输出NMOS驱动器的电源输入，通过一个3300pF陶瓷电容连接到LXB。
• LXA和LXB：开关节点，分别连接到一个1.5μH电感，用于SIMO的开关操作。
• PGND：SIMO低端FET的电源接地，连接到GND、LGND和PCB的低阻抗接地平面。

设计要点

SIMO设计要点

• 输出电流计算：SIMO通道的可用输出电流取决于输入电压、输出电压、峰值电流限制设置和其他SIMO通道的输出电流。Maxim提供了SIMO计算器来帮助工程师计算特定条件下的可用容量。
• 电感选择：建议选择1.0μH至2.2μH的电感，其中1.5μH的电感适用于大多数设计。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进行选择。同时，应考虑电感的DC电阻、AC电阻和物理尺寸，选择低AC电阻的电感以提高效率。
• 电容选择：输入电容应选择最小为10μF的陶瓷电容，以提高SIMO调节器的去耦能力；升压电容应选择3.3nF的陶瓷电容，以确保M3的栅极驱动；输出电容应根据所需的输出电压纹波进行选择，通常为10μF，同时应注意电容的阻抗和温度系数。
• 开关频率：SIMO降压 - 升压调节器采用脉冲频率调制（PFM）控制方案，开关频率取决于输入电压、输出电压、负载电流和电感值。Maxim提供了SIMO计算器来帮助工程师计算开关频率。
• 未使用输出处理：未使用的SIMO输出不应悬空，可通过旁路一个1μF陶瓷电容到地、连接到电源输入或连接到另一个高于目标电压的电源输出等方式进行处理。

LDO设计要点

• 输出电压编程：LDO的输出电压可通过I²C在1.35V至2.9375V之间以12.5mV的步长进行编程。
• 输入和输出电容选择：为了确保LDO的稳定运行，需要选择足够的输入旁路电容和输出电容。输入电容和输出电容的有效电容应根据应用的预期负载条件进行选择，同时应注意电容的阻抗和温度系数。
• 电流限制：LDO的额定输出电流为150mA，典型电流限制为255mA，可提供短路保护功能。
• 作为负载开关使用：如果需要，LDO可以作为负载开关使用，通过将LDO输入电源设置为所需的电压，并将输出电压编程为比输入电压高100mV或更高。

电流吸收器设计要点

• LED分配：三个电流吸收器（LED0、LED1、LED2）是相同的，在使用RGB LED集群时，可根据PCB布局的需要进行分配。
• 未使用端口处理：如果某个电流吸收端口未使用，应将其连接到地，并通过软件确保该端口未被启用。

I²C串行接口设计要点

• 地址选择：MAX77640/MAX77641支持7位从地址，OTP地址可在工厂进行编程，有两种可选地址。
• 通信协议：支持标准的I²C通信协议，包括写入单个寄存器、写入多个顺序寄存器、读取单个寄存器和读取多个顺序寄存器等。

PCB布局要点

• 最小化寄生电感：在SIMO输入电容回路和输出电容回路中，应尽量减少寄生电感，以提高系统的效率和稳定性。
• 使用宽走线：在电感连接中，应使用宽走线以减少电阻，但不要使走线过大，以免增加噪声耦合。
• 参考评估套件：可使用MAX77640/MAX77641评估套件作为PCB布局的参考，以实现最佳性能。

总结

MAX77640/MAX77641是一款功能强大、性能卓越的超低压功耗PMIC，具有紧凑高效、低静态电流、小尺寸封装等优点。通过对其电气特性、典型工作特性、引脚配置和设计要点的详细分析，工程师可以更好地了解和应用该产品，为各种对尺寸和效率要求苛刻的应用提供稳定可靠的电源解决方案。在实际设计中，工程师应根据具体应用需求，合理选择电感、电容等元件，优化PCB布局，以充分发挥该PMIC的性能优势。

你在使用MAX77640/MAX77641的过程中遇到过哪些问题？或者对其设计要点有什么独特的见解？欢迎在评论区分享交流。