深入解析MAX20303：小體積、大能量的電源管理IC

在如今追求小型化、低功耗的電子設(shè)備設(shè)計(jì)領(lǐng)域，電源管理芯片的性能表現(xiàn)至關(guān)重要。Analog Devices的MAX20303便是一款專門為超低功耗可穿戴應(yīng)用打造的高度集成且可編程的電源管理解決方案。接下來(lái)，讓我們深入了解這款芯片的特性、優(yōu)勢(shì)及詳細(xì)功能。

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一、概述

MAX20303專為超低功耗可穿戴應(yīng)用設(shè)計(jì)，其在尺寸和效率上進(jìn)行了優(yōu)化。通過(guò)延長(zhǎng)電池續(xù)航時(shí)間和減小整體方案尺寸，顯著提升了終端產(chǎn)品的價(jià)值。芯片集成了多種電源優(yōu)化的電壓調(diào)節(jié)器，包括多個(gè)降壓、升壓、降壓 - 升壓和線性調(diào)節(jié)器，實(shí)現(xiàn)了高度集成，并能打造出完全優(yōu)化的電源架構(gòu)。每個(gè)調(diào)節(jié)器的靜態(tài)電流低至1μA（典型值），在常開應(yīng)用中可有效延長(zhǎng)電池使用壽命。

同時(shí)，它還涵蓋了一套完整的電池管理方案，包括電池密封、充電器、電源路徑和電量計(jì)。充電器內(nèi)置了熱管理和輸入保護(hù)功能。此外，芯片帶有可編程按鈕控制器、三個(gè)集成的LED電流灌流器以及具備自動(dòng)共振跟蹤功能的ERM / LRA驅(qū)動(dòng)器，能為用戶提供復(fù)雜的觸覺(jué)反饋。它支持通過(guò)I2C接口進(jìn)行配置，可以對(duì)各種功能進(jìn)行編程并讀取設(shè)備狀態(tài)。

二、產(chǎn)品特性與優(yōu)勢(shì)

（一）延長(zhǎng)電池使用時(shí)間

• 低靜態(tài)電流調(diào)節(jié)器：
  • 2個(gè)微靜態(tài)電流降壓調(diào)節(jié)器，每個(gè)的靜態(tài)電流小于1μA（典型值），輸出可達(dá)220mA。Buck1輸出電壓范圍為0.8V - 2.375V，步長(zhǎng)25mV；Buck2為0.8V - 3.95V，步長(zhǎng)50mV。想想看，在可穿戴設(shè)備中，如此低的靜態(tài)電流能夠大大降低待機(jī)功耗，延長(zhǎng)設(shè)備在一次充電后的使用時(shí)間。
  • 微靜態(tài)電流低壓差LDO / 負(fù)載開關(guān)，靜態(tài)電流為1μA（典型值）。輸入電壓范圍不同，輸出能力和輸出電壓范圍也有所不同，可為不同的負(fù)載提供穩(wěn)定的電源。
  • 微靜態(tài)電流降壓 - 升壓調(diào)節(jié)器，靜態(tài)電流1.3μA（典型值），輸出功率達(dá)250mW，輸出電壓范圍2.5V - 5V，步長(zhǎng)100mV。這種靈活的電壓輸出范圍和低靜態(tài)電流設(shè)計(jì)，非常適合那些對(duì)電源穩(wěn)定性和功耗要求較高的應(yīng)用場(chǎng)景。

（二）易于實(shí)現(xiàn)的鋰電池充電

• 寬快速充電電流范圍：快速充電電流范圍為5mA - 500mA，能夠根據(jù)電池的狀態(tài)和需求，靈活調(diào)整充電電流，提高充電效率。
• 智能電源選擇器：支持28V / - 5.5V耐受輸入，并具有可編程JEITA電流 / 電壓曲線，可在不同的輸入電源和電池狀態(tài)下，智能地分配電源，確保充電安全和高效。

（三）高度集成，減小方案尺寸

• 安全輸出LDO：當(dāng)CHGIN有有效電壓時(shí)，SFOUT調(diào)節(jié)器輸出可配置為3.3V或5V，且在CHGIN存在時(shí)可輸出15mA，為系統(tǒng)的其他部分提供了穩(wěn)定的電源支持。
• 觸覺(jué)驅(qū)動(dòng)器：ERM / LRA驅(qū)動(dòng)器具有快速啟動(dòng)和制動(dòng)功能，并且LRA模式下支持自動(dòng)共振跟蹤，能為用戶帶來(lái)出色的觸覺(jué)體驗(yàn)，同時(shí)無(wú)需額外添加過(guò)多的外圍電路，減小了整個(gè)方案的尺寸。

（四）支持多種顯示選項(xiàng)

• 微靜態(tài)電流升壓調(diào)節(jié)器：靜態(tài)電流2.4μA（典型值），輸出功率300mW，輸出電壓范圍5V - 20V，步長(zhǎng)250mV，可為不同電壓需求的顯示設(shè)備提供合適的電源。
• 3通道電流灌流器：可耐受20V電壓，電流可在0.6 - 30mA范圍內(nèi)可編程，為顯示設(shè)備的背光或指示燈提供了靈活的電流控制。

（五）優(yōu)化系統(tǒng)控制

• 具備電源開啟 / 復(fù)位控制器、可編程按鈕控制器、可編程電源排序、出廠貨架模式以及片上電壓監(jiān)控多路復(fù)用器和模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）等功能，能夠?qū)ο到y(tǒng)的電源狀態(tài)進(jìn)行精確管理和控制。

三、詳細(xì)功能解析

（一）電源調(diào)節(jié)

MAX20303包含多種類型的調(diào)節(jié)器，每種都有其獨(dú)特的性能和應(yīng)用場(chǎng)景。例如，降壓調(diào)節(jié)器適用于需要將高電壓轉(zhuǎn)換為低電壓的負(fù)載；升壓調(diào)節(jié)器則用于為需要高于輸入電壓的負(fù)載供電；降壓 - 升壓調(diào)節(jié)器在輸入電壓可能高于或低于輸出電壓的情況下表現(xiàn)出色。這些調(diào)節(jié)器可以在固定峰值電流模式下為低電流應(yīng)用供電，也能在自適應(yīng)峰值電流模式下提高負(fù)載調(diào)節(jié)能力、擴(kuò)大高效率范圍并減小電容尺寸。我們?cè)谠O(shè)計(jì)電源系統(tǒng)時(shí)，就可以根據(jù)實(shí)際負(fù)載的需求，靈活選擇合適的調(diào)節(jié)器組合，以達(dá)到最佳的電源效率和性能。

（二）電源開關(guān)與復(fù)位控制

該芯片的電源開關(guān)可執(zhí)行復(fù)位序列或關(guān)閉主系統(tǒng)電源進(jìn)入關(guān)機(jī)模式，以延長(zhǎng)電池壽命。關(guān)機(jī)和復(fù)位事件可通過(guò)電源功能（PFN）控制輸入、I2C命令或其他條件觸發(fā)。PFN引腳的行為可預(yù)先配置，支持多種可穿戴應(yīng)用場(chǎng)景。不同的PwrRstCfg[3:0]配置對(duì)應(yīng)著不同的PFN1和PFN2引腳行為，以及相應(yīng)的基本流程圖。在實(shí)際應(yīng)用中，我們可以根據(jù)產(chǎn)品的具體需求，選擇合適的PwrRstCfg配置，以實(shí)現(xiàn)不同的電源開關(guān)和復(fù)位功能。比如，在某些需要頻繁開啟和關(guān)閉的可穿戴設(shè)備中，選擇合適的配置可以減少操作步驟，提高用戶體驗(yàn)。

（三）電源排序

開關(guān)調(diào)節(jié)器、LDO和電荷泵在電源開啟時(shí)的排序是可配置的。調(diào)節(jié)器可以在電源開啟后的三個(gè)時(shí)間點(diǎn)之一開啟，或者在RST信號(hào)釋放后通過(guò)I2C命令開啟。在電源開啟序列中，會(huì)監(jiān)控SYS電壓，如果在序列過(guò)程中VSYS低于VSYS_UVLO_F，且CHGIN有有效電壓，則過(guò)程會(huì)從SYS啟用點(diǎn)重新開始，以讓電壓有更多時(shí)間穩(wěn)定。這一功能確保了系統(tǒng)在啟動(dòng)過(guò)程中，各個(gè)電源模塊能夠按照正確的順序和時(shí)間開啟，避免了因電源順序不當(dāng)而導(dǎo)致的系統(tǒng)不穩(wěn)定或故障。我們?cè)谶M(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，需要仔細(xì)考慮各個(gè)模塊的電源需求和啟動(dòng)順序，合理配置電源排序，以確保系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。

（四）電流灌流器

芯片包含三個(gè)低壓差線性電流調(diào)節(jié)器，每個(gè)電流調(diào)節(jié)器的灌流電流可通過(guò)相應(yīng)的LED_ISet[4:0]位在直接寄存器中獨(dú)立編程，可在0.6 - 30mA范圍內(nèi)調(diào)節(jié)，步長(zhǎng)可配置。電流灌流器可通過(guò)I2C命令、內(nèi)部充電器狀態(tài)信號(hào)或外部MPC引腳啟用，適用于為外部LED提供電流。在一些可穿戴設(shè)備的指示燈設(shè)計(jì)中，我們就可以利用這些電流灌流器，通過(guò)精確控制LED的電流，實(shí)現(xiàn)不同的燈光顯示效果，如閃爍、亮度調(diào)節(jié)等。

（五）系統(tǒng)負(fù)載開關(guān)

當(dāng)CHGIN無(wú)電壓源時(shí)，內(nèi)部的80mΩ（典型值）MOSFET將BAT連接到SYS；當(dāng)檢測(cè)到CHGIN有外部電源時(shí)，該開關(guān)打開，SYS由輸入源通過(guò)輸入電流限制器供電。SYS - BAT開關(guān)還可防止VSYS低于VBAT，在系統(tǒng)負(fù)載超過(guò)輸入電流限制時(shí)，可確保負(fù)載由電池供電。這一功能對(duì)于那些對(duì)電源穩(wěn)定性要求較高的系統(tǒng)非常重要，能夠保證在不同的電源輸入和負(fù)載情況下，系統(tǒng)都能正常工作。例如，當(dāng)設(shè)備在插拔外部電源時(shí)，系統(tǒng)負(fù)載開關(guān)可以迅速切換電源供應(yīng)，避免電壓波動(dòng)對(duì)系統(tǒng)造成影響。

（六）智能電源選擇器

智能電源選擇器能夠無(wú)縫地將外部CHGIN輸入的電源分配到BAT和SYS節(jié)點(diǎn)。當(dāng)系統(tǒng)負(fù)載需求小于輸入電流限制時(shí)，電池可利用輸入的剩余功率進(jìn)行充電；當(dāng)系統(tǒng)負(fù)載需求超過(guò)輸入電流限制時(shí)，電池為負(fù)載提供補(bǔ)充電流；當(dāng)僅連接電池而無(wú)外部電源輸入時(shí)，系統(tǒng)由電池供電。這種智能的電源分配方式，提高了電源的利用效率，延長(zhǎng)了電池的使用壽命。在實(shí)際應(yīng)用中，我們可以根據(jù)設(shè)備的使用場(chǎng)景和負(fù)載情況，合理設(shè)置電源選擇器的參數(shù)，以達(dá)到最佳的電源管理效果。

（七）輸入限制器

輸入限制器不僅能將外部適配器的電源分配到系統(tǒng)負(fù)載和電池充電器，還具備多種功能來(lái)優(yōu)化可用電源的使用。它能對(duì)無(wú)效的CHGIN電壓進(jìn)行保護(hù)，當(dāng)CHGIN電壓高于過(guò)壓閾值時(shí)，設(shè)備進(jìn)入過(guò)壓鎖定（OVL）狀態(tài)，保護(hù)芯片和下游電路；當(dāng)CHGIN電壓為負(fù)時(shí)，斷開CHGIN連接，由電池為系統(tǒng)供電。同時(shí)，它還能對(duì)CHGIN輸入電流進(jìn)行限制，防止輸入過(guò)載，并通過(guò)可編程的消隱時(shí)間來(lái)適應(yīng)具有高浪涌電流的系統(tǒng)。在熱限制方面，當(dāng)芯片溫度超過(guò)正常限制時(shí)，會(huì)嘗試通過(guò)降低CHGIN的輸入電流來(lái)限制溫度上升，優(yōu)先保證系統(tǒng)負(fù)載的供電。此外，在系統(tǒng)由CHGIN供電時(shí)，充電器從SYS獲取電源為電池充電，如果總負(fù)載超過(guò)輸入電流限制，自適應(yīng)充電器控制回路會(huì)降低充電電流，以防止VSYS崩潰。這一系列的保護(hù)和優(yōu)化功能，確保了系統(tǒng)在不同的電源輸入和工作條件下都能安全、穩(wěn)定地運(yùn)行。我們?cè)谠O(shè)計(jì)系統(tǒng)時(shí)，需要充分考慮這些因素，合理設(shè)置輸入限制器的參數(shù)，以保障系統(tǒng)的可靠性。

（八）SAR ADC / 監(jiān)控多路復(fù)用器（MUX）

為簡(jiǎn)化系統(tǒng)監(jiān)控，芯片集成了電壓監(jiān)控多路復(fù)用器（MUX）。通過(guò)I2C控制，MUX可將MON引腳連接到六個(gè)電壓調(diào)節(jié)器、BAT或SYS的縮放值。內(nèi)部ADC可讀取其余電壓軌，并執(zhí)行諸如JEITA溫度監(jiān)控和觸覺(jué)驅(qū)動(dòng)器操作期間的SYS跟蹤等系統(tǒng)任務(wù)。我們可以通過(guò)配置MONRatioCfg[1:0]來(lái)選擇不同的電壓縮放比例，以滿足不同的監(jiān)控需求。例如，在需要對(duì)多個(gè)電壓節(jié)點(diǎn)進(jìn)行監(jiān)控的系統(tǒng)中，利用這個(gè)MUX和ADC功能，可以減少外部監(jiān)控電路的使用，降低成本和系統(tǒng)復(fù)雜度。

（九）JEITA監(jiān)控與充電器控制

為提高鋰電池充電的安全性，芯片包含符合JEITA標(biāo)準(zhǔn)的溫度監(jiān)控功能。通過(guò)在THM上連接上拉電阻和電池組的熱敏電阻，形成電阻分壓器，內(nèi)部ADC讀取分壓器輸出，并將電池置于五個(gè)溫度區(qū)域之一。每個(gè)溫度區(qū)域的溫度限制和充電行為可通過(guò)相關(guān)命令進(jìn)行配置。需要注意的是，當(dāng)觸覺(jué)驅(qū)動(dòng)器的自動(dòng)電平補(bǔ)償功能啟用時(shí)，JEITA監(jiān)控將不可用。這一功能確保了在不同的環(huán)境溫度下，電池都能安全、高效地充電。在實(shí)際應(yīng)用中，我們需要根據(jù)電池的特性和使用環(huán)境，合理配置溫度區(qū)域和充電參數(shù)，以避免電池在過(guò)熱或過(guò)冷的情況下充電，影響電池的壽命和性能。

（十）觸覺(jué)驅(qū)動(dòng)器

MAX20303的觸覺(jué)驅(qū)動(dòng)器功能強(qiáng)大，支持通過(guò)PWM或I2C實(shí)時(shí)控制觸覺(jué)設(shè)備，還能從內(nèi)部RAM運(yùn)行觸覺(jué)模式。它可以驅(qū)動(dòng)線性諧振致動(dòng)器（LRA）和偏心旋轉(zhuǎn)質(zhì)量（ERM）致動(dòng)器。在驅(qū)動(dòng)LRA時(shí)，需要正弦驅(qū)動(dòng)信號(hào)，芯片通過(guò)Class - D放大器將驅(qū)動(dòng)輸入轉(zhuǎn)換為正弦輸出。為確保驅(qū)動(dòng)器緊密跟蹤LRA的諧振頻率，芯片具備自動(dòng)共振跟蹤功能，可將驅(qū)動(dòng)信號(hào)與LRA的諧振頻率匹配，從而最大化LRA的振動(dòng)幅度。驅(qū)動(dòng)器的輸出幅度可配置，通過(guò)設(shè)置滿量程電壓（VFS），可配置驅(qū)動(dòng)器輸出的最大幅度。由于VSYS可能隨時(shí)間變化，驅(qū)動(dòng)器具備自動(dòng)電平補(bǔ)償（ALC）功能，可根據(jù)VSYS的變化調(diào)整輸出占空比，以保持可編程的驅(qū)動(dòng)幅度。此外，驅(qū)動(dòng)器還具備欠壓鎖定（UVLO）、振動(dòng)超時(shí)、過(guò)流和熱保護(hù)等功能。當(dāng)出現(xiàn)故障時(shí)，驅(qū)動(dòng)器會(huì)被鎖定，需要手動(dòng)清除HptLock位才能重新啟動(dòng)。這一系列的功能為我們?cè)谠O(shè)計(jì)需要觸覺(jué)反饋的設(shè)備時(shí)提供了豐富的選擇和可靠的保障。我們可以根據(jù)產(chǎn)品的需求，靈活配置觸覺(jué)驅(qū)動(dòng)器的參數(shù)，實(shí)現(xiàn)不同的觸覺(jué)效果，如不同強(qiáng)度、不同節(jié)奏的振動(dòng)。

（十一）電量計(jì)

芯片的電量計(jì)基于MAX17048獨(dú)立電量計(jì)，通過(guò)模擬鋰電池的內(nèi)部非線性動(dòng)態(tài)來(lái)確定電池的荷電狀態(tài)（SOC）。與基于庫(kù)侖計(jì)數(shù)器的電量計(jì)不同，它僅使用電壓進(jìn)行測(cè)量，不會(huì)隨時(shí)間漂移或累積誤差，無(wú)需定期校正事件，具有較高的精度和穩(wěn)定性。不過(guò)，為獲得最佳性能，主機(jī)微控制器需要定期測(cè)量電池溫度，并相應(yīng)補(bǔ)償RCOMP參數(shù)。在實(shí)際應(yīng)用中，我們需要根據(jù)電池的特性和使用環(huán)境，合理配置電量計(jì)的參數(shù)，以確保準(zhǔn)確測(cè)量電池的電量。

（十二）I2C接口

芯片通過(guò)兩線I2C接口與主機(jī)微控制器通信。它在I2C總線上表現(xiàn)為兩個(gè)設(shè)備，分別控制調(diào)節(jié)器、充電器和其他系統(tǒng)功能以及訪問(wèn)電量計(jì)。I2C接口支持多種操作模式，如單字節(jié)寫入、突發(fā)寫入、單字節(jié)讀取和突發(fā)讀取等。在通信過(guò)程中，需要注意起始、停止和重復(fù)起始條件，以及確認(rèn)位的使用，以確保數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏?zhǔn)確性。我們?cè)谶M(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，需要熟悉I2C接口的通信協(xié)議和操作方法，合理編寫代碼，以實(shí)現(xiàn)與主機(jī)微控制器的穩(wěn)定通信。

四、總結(jié)

MAX20303以其高度的集成度、超低的靜態(tài)電流和豐富多樣的功能，成為了超低功耗可穿戴應(yīng)用以及其他相關(guān)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備電源管理的理想選擇。它在延長(zhǎng)電池壽命、減小方案尺寸和優(yōu)化系統(tǒng)控制等方面表現(xiàn)出色。電子工程師們?cè)谶M(jìn)行相關(guān)產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)，可充分利用MAX20303的特性和功能，打造出更具競(jìng)爭(zhēng)力的產(chǎn)品。同時(shí)，我們也需要在實(shí)際應(yīng)用中，根據(jù)具體的需求和場(chǎng)景，合理配置和調(diào)試芯片的各項(xiàng)參數(shù)，以實(shí)現(xiàn)最佳的性能和效果。大家在使用過(guò)程中遇到任何問(wèn)題或者有獨(dú)特的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，歡迎一起交流探討。