高效低功耗：MAX1586/MAX1587電源管理IC深度解析

在當(dāng)今的電子設(shè)備領(lǐng)域，尤其是智能手機(jī)、PDA等便攜式設(shè)備，對(duì)電源管理的要求越來越高。高效、低功耗且具備強(qiáng)大功能的電源管理IC成為了設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。今天我們就來詳細(xì)探討一下Maxim公司推出的MAX1586/MAX1587電源管理IC，看看它是如何滿足這些需求的。

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一、產(chǎn)品概述

MAX1586/MAX1587專為采用Intel XScale微處理器的設(shè)備進(jìn)行了優(yōu)化，適用于第三代智能手機(jī)、PDA、互聯(lián)網(wǎng)設(shè)備以及其他需要在低功耗下具備強(qiáng)大計(jì)算和多媒體能力的便攜式設(shè)備。這兩款I(lǐng)C集成了七個(gè)高性能、低工作電流的電源供應(yīng)模塊，同時(shí)還具備監(jiān)控和管理功能。

二、產(chǎn)品特性

（一）豐富的電源輸出

• DC-DC轉(zhuǎn)換器：三個(gè)降壓DC-DC輸出（V1、V2、V3），為I/O、DRAM和CPU核心供電。例如，V1可提供3.3V或可調(diào)輸出電壓，最大負(fù)載可達(dá)1300mA；V2在不同型號(hào)中有不同的預(yù)設(shè)電壓，如MAX1586A和MAX1587A預(yù)設(shè)為1.8V或2.5V，MAX1586B預(yù)設(shè)為3.3V或2.5V，也可通過外部電阻進(jìn)行調(diào)節(jié)，最大負(fù)載可達(dá)900mA；V3通過I2C串行接口進(jìn)行編程，輸出電壓可在0.7V至1.475V之間以25mV的步長調(diào)節(jié)，不同型號(hào)的最大負(fù)載能力不同，如MAX1586A、MAX1586B和MAX1587A為500mA，MAX1586C和MAX1587C為900mA。
• 線性穩(wěn)壓器：三個(gè)線性穩(wěn)壓器（V4、V5、V6），分別為PLL、SRAM和USIM供電。其中，V4提供固定的1.3V輸出，最大負(fù)載35mA；V5提供固定的1.1V輸出，最大負(fù)載35mA；V6僅MAX1586有，輸出電壓可通過I2C串行接口編程為0V、1.8V、2.5V或3.0V，最大負(fù)載35mA。
• 始終開啟輸出：一個(gè)始終開啟的輸出V7，可連接到Intel CPU的VCC_BATT，最大負(fù)載30mA。

（二）低功耗設(shè)計(jì)

為了降低睡眠狀態(tài)下的靜態(tài)電流，V1和V2配備了旁路“睡眠”LDO。當(dāng)輸出電流非常低時(shí)，可以激活這些LDO，以減少電池消耗。不同工作模式下的靜態(tài)電流表現(xiàn)如下：

• RUN模式：所有電源開啟并運(yùn)行，MAX1587為200μA，MAX1586為225μA。
• SLEEP模式：PWR_EN控制的電壓（V3、V4、V5）關(guān)閉，V1和V2開啟。如果V1和V2的睡眠LDO開啟，電流為60μA；如果V1、V2的降壓DC-DC轉(zhuǎn)換器啟用，電流為130μA。
• DEEP SLEEP模式：除V7外所有電源關(guān)閉，V7由備用電池供電。如果VIN > DBI閾值，MAX1587為5μA，MAX1586為32μA；如果VIN < DBI閾值，為4μA。

（三）高效的PWM開關(guān)

所有DC-DC輸出均采用快速的1MHz PWM開關(guān)和小型外部組件。在固定頻率PWM控制下運(yùn)行，并在輕負(fù)載時(shí)自動(dòng)從PWM模式切換到跳周期模式，以降低工作電流，延長電池壽命。V3核心輸出在所有負(fù)載下都能強(qiáng)制進(jìn)入PWM模式，以實(shí)現(xiàn)低噪聲運(yùn)行。

（四）寬輸入電壓范圍

輸入電壓范圍為2.6V至5.5V，支持單節(jié)鋰離子（Li+）電池、3節(jié)鎳氫（NiMH）電池或穩(wěn)壓5V輸入，為不同的電源配置提供了靈活性。

三、關(guān)鍵功能模塊解析

（一）DC-DC轉(zhuǎn)換器

1. V1和V2降壓DC-DC轉(zhuǎn)換器

V1和V2均為1MHz電流模式降壓轉(zhuǎn)換器。在中等到重負(fù)載下，以低噪聲PWM模式運(yùn)行，具有恒定頻率和調(diào)制脈沖寬度，固定頻率操作產(chǎn)生的開關(guān)諧波穩(wěn)定且易于過濾。在輕負(fù)載（<30mA）時(shí)，進(jìn)入Idle Mode?，僅在需要時(shí)進(jìn)行開關(guān)操作，以提高效率。

內(nèi)部的n溝道同步整流器消除了對(duì)外部肖特基二極管的需求，提高了效率。在同步整流期間，電壓在每個(gè)周期的后半段反轉(zhuǎn)，電感電流下降，在正常操作（非強(qiáng)制PWM）下，同步整流器在周期結(jié)束時(shí)或電感電流接近零時(shí)關(guān)閉。

當(dāng)電感電流在導(dǎo)通時(shí)間內(nèi)不足以提供負(fù)載時(shí)，開關(guān)保持導(dǎo)通，允許實(shí)現(xiàn)高達(dá)100%的占空比，從而在輸入電壓接近調(diào)節(jié)電壓時(shí)維持輸出電壓的穩(wěn)定。例如，V1在800mA負(fù)載下的壓降約為180mV，V2在800mA負(fù)載下的壓降約為220mV。

2. V3降壓DC-DC轉(zhuǎn)換器

V3同樣是1MHz電流模式降壓轉(zhuǎn)換器。輸出電壓通過I2C串行接口進(jìn)行設(shè)置，默認(rèn)輸出電壓為1.3V。在中等到重負(fù)載下，始終以低噪聲PWM模式運(yùn)行；在輕負(fù)載（<30mA）且PWM3為低電平時(shí)，進(jìn)入增強(qiáng)效率的Idle Mode；當(dāng)PWM3為高電平時(shí)，在所有負(fù)載條件下都以低噪聲強(qiáng)制PWM模式運(yùn)行。

（二）線性穩(wěn)壓器

1. V4（VCC_PLL）

提供固定的1.3V輸出，最大負(fù)載35mA。電源輸入IN45通常連接到V2。在MAX1586上，通過驅(qū)動(dòng)ON4為高電平來啟用，驅(qū)動(dòng)ON4為低電平則關(guān)閉；在MAX1587上，V4和V5的使能引腳合并，驅(qū)動(dòng)ON45為高電平來啟用，驅(qū)動(dòng)ON45為低電平則關(guān)閉。

2. V5（VCC_SRAM）

提供固定的1.1V輸出，最大負(fù)載35mA。電源輸入同樣為IN45，通常連接到V2。在MAX1586上，通過驅(qū)動(dòng)ON5為高電平來啟用，驅(qū)動(dòng)ON5為低電平則關(guān)閉；在MAX1587上，與V4的使能控制方式相同。

3. V6（VCC_USIM - MAX1586 Only）

輸出電壓可通過I2C串行接口編程為0V、1.8V、2.5V或3.0V，上電默認(rèn)電壓為0V。電源輸入IN6通常連接到V1。通過驅(qū)動(dòng)ON6為高電平來啟用，驅(qū)動(dòng)ON6為低電平則關(guān)閉。

（三）V7始終開啟輸出

V7輸出在V1啟用且處于穩(wěn)壓狀態(tài)或備用電源存在時(shí)始終保持激活。當(dāng)ON1為高電平且V1處于穩(wěn)壓狀態(tài)時(shí)，V7由內(nèi)部MOSFET開關(guān)從V1獲取電源；當(dāng)ON1為低電平或V1失穩(wěn)時(shí)，V7由片上的第二個(gè)MOSFET從BKBT獲取電源。

（四）監(jiān)控和管理功能

1. 欠壓鎖定（UVLO）

當(dāng)輸入電壓低于2.35V（典型值）時(shí)，欠壓鎖定電路會(huì)禁用IC，輸入在UVLO期間保持高阻抗，減少電池負(fù)載。所有串行寄存器在輸入電壓低至至少2.35V時(shí)仍能保持?jǐn)?shù)據(jù)。

2. 復(fù)位輸出（RSO）和MR輸入

復(fù)位輸出RSO在MR輸入為低電平或V7低于2.425V時(shí)為低電平。V7由V1（啟用時(shí)）或備用電池輸入（BKBT）供電。在某些情況下，如首次上電、斷電、備用電池電壓低于2.425V或按下手動(dòng)復(fù)位按鈕（MR為低電平）時(shí)，RSO通常會(huì)變?yōu)榈碗娖健?/p>

如果VIN > 2.4V，當(dāng)V7上升到2.3V以上后，內(nèi)部定時(shí)器會(huì)延遲65ms釋放RSO；如果VIN < 2.4V或VIN和V7同時(shí)上升，RSO會(huì)立即釋放，無65ms延遲。手動(dòng)復(fù)位輸入MR為低電平時(shí)，會(huì)使RSO輸出至少低65ms，并將V3輸出重置為默認(rèn)的1.3V設(shè)置，不影響其他功能。

3. 死電池和低電池比較器 - DBI、LBI（MAX1586 Only）

DBI和LBI輸入監(jiān)視輸入電源（通常是電池），并觸發(fā)DBO和LBO輸出。死電池比較器在電池（VIN）放電到死電池閾值時(shí)觸發(fā)DBO，可通過將DBI連接到IN選擇工廠預(yù)設(shè)的3.15V閾值，也可通過在DBI處使用電阻分壓器進(jìn)行編程；低電池比較器的工廠預(yù)設(shè)閾值為3.6V，可通過將LBI連接到IN選擇該閾值，也可使用電阻分壓器進(jìn)行編程。

4. 電源良好輸出（POK）

POK是一個(gè)開漏輸出，當(dāng)任何激活的穩(wěn)壓器（V1 - V6）低于其調(diào)節(jié)閾值時(shí)為低電平，不監(jiān)視V7。當(dāng)所有激活的輸出電壓在調(diào)節(jié)范圍的10%以內(nèi)時(shí)，POK為高阻抗。在V3通過串行編程進(jìn)行電壓轉(zhuǎn)換期間或任何穩(wěn)壓器通道關(guān)閉時(shí)，POK不會(huì)標(biāo)記失調(diào)情況。當(dāng)任何穩(wěn)壓器開啟時(shí)，POK會(huì)暫時(shí)變?yōu)榈碗娖?，?dāng)該穩(wěn)壓器達(dá)到調(diào)節(jié)狀態(tài)時(shí)恢復(fù)為高電平。當(dāng)所有穩(wěn)壓器（V1 - V6）關(guān)閉時(shí)，POK被強(qiáng)制為低電平；當(dāng)輸入電壓低于UVLO閾值時(shí)，POK保持低電平，并在VIN低至1V時(shí)仍能保持有效低輸出。

（五）串行接口

I2C兼容的兩線串行接口控制MAX1587上的REG3以及MAX1586上的REG3和REG6。當(dāng)VIN超過2.40V UVLO閾值且至少有一個(gè)ON1 - ON6置位時(shí)，串行接口開始工作；當(dāng)所有穩(wěn)壓器都未啟用時(shí)，串行接口關(guān)閉以減少關(guān)斷電流消耗。

四、設(shè)計(jì)要點(diǎn)

（一）輸出電壓設(shè)置

• V1和V2：可通過將FB1連接到GND將V1設(shè)置為3.3V；通過將FB2連接到不同位置，可將V2設(shè)置為預(yù)設(shè)電壓（如MAX1586A和MAX1587A的1.8V或2.5V，MAX1587B的3.3V或2.5V）。若要設(shè)置為其他電壓，可使用電阻分壓器連接到相應(yīng)的FB輸入。由于FB_輸入偏置電流小于100nA，選擇低側(cè)（FB到GND）電阻（RL）為100kΩ或更小，然后使用公式RH = RL[(VOUT / 1.25) - 1]計(jì)算高側(cè)（輸出到FB）電阻（RH）。
• V3：通過I2C串行接口在0.7V至1.475V之間以25mV的步長設(shè)置輸出電壓。
• V4和V5：分別提供固定的1.3V和1.1V輸出電壓，不可調(diào)節(jié)。
• V6：通過I2C串行接口設(shè)置輸出電壓為0V、1.8V、2.5V或3.0V。
• V7：只要ON1為高電平且V1處于穩(wěn)壓狀態(tài)，就跟蹤V1的電壓；當(dāng)ON1為低電平或V1失穩(wěn)時(shí)，切換到備用電池（VBKBT）。

（二）電感和電容選擇

1. 電感選擇

為了使MAX1586/MAX1587降壓轉(zhuǎn)換器在連續(xù)電感電流下實(shí)現(xiàn)最佳效率，可根據(jù)公式計(jì)算理想電感值（LIDEAL），該值可將電感電流的峰 - 峰設(shè)置為直流電感電流的1/2。確保電感的飽和電流超過峰值電感電流，額定最大直流電感電流超過最大輸出電流（IOUT(MAX)）。較大的電感值可優(yōu)化效率或獲得最大可能輸出電流，但可能會(huì)增加電感尺寸或電阻，降低效率；較小的電感值可減小電感尺寸，但會(huì)導(dǎo)致較大的峰值電感電流，可能需要更大的輸出電容來抑制輸出紋波。

2. 電容選擇

• 輸入電容：DC - DC轉(zhuǎn)換器中的輸入電容可減少從電池或其他輸入電源汲取的電流峰值，并降低控制器中的開關(guān)噪聲。輸入電容在開關(guān)頻率下的阻抗應(yīng)小于輸入源的阻抗，以避免高頻開關(guān)電流通過輸入源。
• 輸出電容：輸出電容用于保持輸出紋波小并確保控制環(huán)路的穩(wěn)定性。陶瓷、聚合物和鉭電容都是合適的選擇，其中陶瓷電容具有最低的ESR和高頻阻抗?？筛鶕?jù)公式計(jì)算輸出紋波，若電容具有顯著的ESR，還需考慮其對(duì)輸出紋波的影響。

（三）補(bǔ)償和穩(wěn)定性

對(duì)于REG1、REG2和REG3的補(bǔ)償，需要考慮跨導(dǎo)（從FB到CC）、電流感測(cè)放大器的跨阻、反饋調(diào)節(jié)電壓、降壓輸出電壓和輸出負(fù)載等效電阻等特性。關(guān)鍵步驟包括設(shè)置補(bǔ)償RC零點(diǎn)以抵消RLOAD COUT極點(diǎn)，并將環(huán)路交叉頻率設(shè)置在或低于開關(guān)頻率的約1/10。根據(jù)具體參數(shù)選擇合適的補(bǔ)償電容和電阻，以滿足瞬態(tài)下垂要求。

（四）PCB布局和布線

良好的PCB布局對(duì)于實(shí)現(xiàn)最佳性能至關(guān)重要。攜帶不連續(xù)電流的導(dǎo)體和任何高電流路徑應(yīng)盡可能短而寬。單獨(dú)的低噪聲接地平面應(yīng)僅在一點(diǎn)連接到電源接地平面，以最小化電源接地電流的影響，通常在IC處連接最佳。電壓反饋網(wǎng)絡(luò)應(yīng)盡可能靠近IC，優(yōu)選在FB引腳的0.2英寸（5mm）范圍內(nèi)。高dV/dt節(jié)點(diǎn)（開關(guān)節(jié)點(diǎn)）應(yīng)盡可能小，并遠(yuǎn)離高阻抗節(jié)點(diǎn)，如FB。

五、應(yīng)用拓展

（一）擴(kuò)展最大核心電壓范圍

在某些情況下，可能需要更高的CPU核心電壓?？梢酝ㄟ^添加兩個(gè)電阻來增加V3的電壓范圍，調(diào)整后的電壓可根據(jù)公式計(jì)算。

（二）備用電池和V7配置

1. 主備用電池

使用不可充電的鋰硬幣電池作為備用電池時(shí)，可將其直接連接到BKBT。V7從V1（如果啟用）或備用電池為CPU VCC_BATT供電。

2. 無備用電池或替代備用方案

如果不使用備用電池或使用不涉及MAX1586/MAX1587的替代備用方案，可使用小硅二極管（如1N4148）將BKBT從IN偏置。因?yàn)镈BO、RSO和POK需要BKBT供電才能正常工作，所以即使不使用備用電池，也必須為BKBT供電。

3. 可充電鋰電池備用電池

當(dāng)需要更多備用電源且主電池容量不足時(shí)，可使用可充電鋰電池。當(dāng)3.3V的V1電源激活時(shí)，通過串聯(lián)電阻和二極管對(duì)電池進(jìn)行充電。

4. 可充電鎳氫電池備用電池

在某些系統(tǒng)中，可能希望使用鎳氫電池作為備用電池。通常需要多個(gè)電池，因?yàn)榈湫偷逆嚉潆姵仉妷簝H為1.2V。可添加一個(gè)小型DC - DC轉(zhuǎn)換器（如MAX1724）將低電池電壓升壓至3V以偏置BKBT，同時(shí)在主電源存在時(shí)通過電阻和二極管對(duì)鎳氫電池進(jìn)行涓流充電。

六、總結(jié)與建議

MAX1586/MAX1587電源管理IC以其豐富的功能、高效低功耗的特性，為采用Intel XScale微處理器的便攜式設(shè)備提供了強(qiáng)大的電源管理解決方案。在設(shè)計(jì)過程中，需要根據(jù)具體的應(yīng)用需求，合理選擇輸出電壓、電感和電容，進(jìn)行有效的補(bǔ)償和穩(wěn)定性設(shè)計(jì)，并注意PCB布局和布線，以充分發(fā)揮其性能優(yōu)勢(shì)。同時(shí)，不同的備用電池配置可以根據(jù)實(shí)際情況靈活選擇，滿足多樣化的使用場景。大家在實(shí)際應(yīng)用中遇到什么問題，或者有不同的見解，歡迎一起交流探討。