高性能降壓 - 升壓轉(zhuǎn)換器MAX77847：設(shè)計詳解與應(yīng)用指南

在如今的電子設(shè)備中，電源管理芯片的性能直接影響著設(shè)備的整體表現(xiàn)。今天，我們就來深入探討一款高性能的降壓 - 升壓轉(zhuǎn)換器——MAX77847，看看它有哪些獨特之處，以及如何在實際設(shè)計中發(fā)揮其優(yōu)勢。

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一、產(chǎn)品概述

MAX77847是一款專為電池供電應(yīng)用而設(shè)計的高效能降壓 - 升壓調(diào)節(jié)器。它具有行業(yè)領(lǐng)先的14μA靜態(tài)電流，支持1.8V至5.5V的輸入電壓范圍和1.8V至5.2V的輸出電壓范圍，并且提供兩個可編程的開關(guān)電流限制，能根據(jù)負載需求優(yōu)化外部組件的尺寸。其獨特的降壓 - 升壓控制器技術(shù)，確保了高效率、出色的負載和線路瞬態(tài)性能，以及在輸入和輸出范圍內(nèi)的無縫模式轉(zhuǎn)換。

二、關(guān)鍵特性與優(yōu)勢

2.1 靈活的系統(tǒng)集成

該芯片提供了硬件配置SEL引腳，可配置默認輸出電壓和I2C目標地址。同時，硬件動態(tài)電壓縮放（DVS）引腳允許用戶在不干擾I2C的情況下，在兩個輸出電壓之間切換輸出電壓。此外，I2C接口可選，用戶可以以50mV的步長調(diào)整輸出電壓。

2.2 寬輸入輸出電壓范圍

輸入電壓范圍為1.8V至5.5V，輸出電壓范圍為1.8V至5.2V（50mV步長），能夠滿足多種不同的電源需求。

2.3 高開關(guān)電流限制

提供4.5A/3.6A的開關(guān)電流限制，可根據(jù)實際應(yīng)用場景進行選擇。

2.4 超低靜態(tài)電流

僅14μA的超低IQ，有助于延長電池續(xù)航時間。

2.5 多種工作模式

支持SKIP模式和強制PWM（FPWM）模式。SKIP模式可在輕載時提高效率，而FPWM模式則適用于對輸出紋波要求較低的應(yīng)用。

2.6 完善的保護功能

具備熱關(guān)斷、欠壓鎖定（UVLO）、過壓保護和開關(guān)電流限制等保護功能，確保系統(tǒng)和設(shè)備的安全穩(wěn)定運行。

三、引腳配置與功能

3.1 引腳配置

3.2 引腳功能詳解

• IN引腳：作為電源輸入，旁路電容的選擇至關(guān)重要，合適的電容可以有效濾除輸入電壓中的紋波和噪聲，提高電源的穩(wěn)定性。
• LX1和LX2引腳：分別作為輸入側(cè)和輸出側(cè)的開關(guān)節(jié)點，與電感配合實現(xiàn)能量的存儲和釋放。
• OUT引腳：輸出電源，同樣需要旁路電容來穩(wěn)定輸出電壓。
• GPI引腳：具有靈活的配置功能，可根據(jù)實際需求選擇作為FPWM或DVS控制輸入。
• SEL引腳：通過連接不同阻值的電阻到AGND，可以配置啟動輸出電壓和I2C目標地址，為系統(tǒng)設(shè)計提供了更多的靈活性。

四、工作模式與控制方案

4.1 降壓 - 升壓控制方案

MAX77847采用四開關(guān)H橋架構(gòu)，可在降壓、升壓和降壓 - 升壓模式下工作。該拓撲結(jié)構(gòu)能夠在整個輸入電壓范圍內(nèi)保持輸出電壓的穩(wěn)定，并根據(jù)輸入和輸出電壓的變化實現(xiàn)平滑的模式轉(zhuǎn)換。其控制方案采用2.2MHz固定頻率脈沖寬度調(diào)制（PWM）控制，并結(jié)合電流模式補償，通過四個FET開關(guān)在四個不同階段進行控制：

• 階段1（Φ1）：HS1和LS2開關(guān)導(dǎo)通，電感電流以 (dI{L}/dt = V{IN}/L) 的速率上升，將能量存儲在電感中。
• 階段2（Φ2）：HS1和HS2開關(guān)導(dǎo)通，根據(jù)輸入和輸出電壓的差異，電感電流可能上升或下降。在升壓模式下， (V{OUT} > V{IN}) ，電感電流下降；在降壓模式下， (V{IN} > V{OUT}) ，電感電流上升，變化速率為 (dI{L}/dt = (V{IN} - V_{OUT})/L) 。
• 階段3（Φ3）：LS1和HS2開關(guān)導(dǎo)通，電感電流以 (dI{L}/dt = -V{OUT}/L) 的速率下降，釋放電感中的能量。
• 階段4（Φ4）：LS1和LS2開關(guān)導(dǎo)通，將電感與輸入和輸出電壓斷開。

4.2 SKIP模式和強制PWM（FPWM）模式

• SKIP模式：在輕載或無負載條件下，芯片自動進入SKIP模式，輸出電壓在SKIP模式上限閾值（VSKIP_UPPER）和下限閾值（VSKIP_LOWER）之間調(diào)節(jié)，以提高輕載效率。
• FPWM模式：通過I2C接口將CFG(0x01)寄存器中的FPWM[0]位字段設(shè)置為0b1，或在GPI引腳編程為FPWM功能時將其拉高，可使芯片進入FPWM模式。FPWM模式適用于對輸出紋波要求較低的應(yīng)用。

五、啟動與關(guān)機

5.1 啟動過程

當EN引腳置高時，芯片開啟內(nèi)部偏置電路，通常需要100μs（TON_DLY）來穩(wěn)定。對于MAX77847A（MAX77847B），CFG(0x01)寄存器中的EN[0]位字段默認設(shè)置為0b0（0b1）。當通過I2C將EN[0]設(shè)置為0b1時，控制器會感測SEL引腳電阻以設(shè)置參考電壓，RSEL讀取大約需要450μs（TSEL）。讀取RSEL值后，芯片開始軟啟動過程，為了限制啟動時的浪涌電流，開關(guān)電流限制水平（ILIM_SS）會降低到ILIM的一半左右。當輸出電壓達到目標調(diào)節(jié)點（VTARGET的90%）時，軟啟動時間結(jié)束，再經(jīng)過100μs的過渡時間，芯片切換到正常開關(guān)控制（SKIP模式/FPWM），開關(guān)電流限制增加到ILIM。

5.2 關(guān)機條件

當MAX77847被EN[0]位字段禁用、EN引腳拉低或因保護功能鎖定時，轉(zhuǎn)換器停止開關(guān)操作。此后，芯片會打開OUT和PGND之間的有源放電開關(guān)，快速放電輸出電容。以下幾種情況會導(dǎo)致鎖定：

• 熱關(guān)斷（TSHDN）
• 軟啟動超時（TSS）
• 連續(xù)約2ms的ILIM事件
• 欠壓鎖定（UVLO）

只有在故障條件從系統(tǒng)中消除，并且VIN、EN[0]位字段或EN引腳進行循環(huán)操作后，輸出才能重新啟用。

六、保護功能

6.1 熱關(guān)斷

芯片內(nèi)部的熱保護電路會監(jiān)測管芯溫度，當管芯溫度超過熱關(guān)斷保護閾值TSHDN（典型值為+150?C）時，降壓 - 升壓功能會鎖定。只有在管芯溫度冷卻15?C后，通過切換VIN、循環(huán)EN[0]位字段或EN引腳，才能重新啟用降壓 - 升壓輸出。

6.2 欠壓鎖定（UVLO）

當輸入電壓VIN低于VUVLO_falling閾值時，UVLO功能會防止芯片在異常輸入電壓條件下工作。無論EN[0]位字段的狀態(tài)如何，芯片都會禁用，直到輸入電壓VIN上升到VUVLO_rising閾值以上。之后，需按照啟動部分的步驟啟用降壓 - 升壓轉(zhuǎn)換器。

6.3 過壓保護

芯片會檢測OUT和OUTS之間的電壓差，當電壓差（OUT - OUTS）超過OVP閾值電壓水平（典型值為0.5V）時，芯片會關(guān)閉所有開關(guān)，防止OUTS = OPEN條件下輸出電壓超過安全工作范圍，并與軟啟動超時定時器（TSS）配合關(guān)閉開關(guān)轉(zhuǎn)換器。此外，當OUTS檢測到電壓超過目標輸出值的20%（當OUT目標設(shè)置高于5V時為10%）時，芯片會關(guān)閉，并設(shè)置STAT(0x00)寄存器中的OVP[0]位字段。

6.4 開關(guān)電流限制

MAX77847具有強大的開關(guān)電流限制方案，可在過載和快速瞬態(tài)條件下保護芯片和電感。電流傳感電路從高端MOSFET獲取電流信息，以確定峰值開關(guān)電流（ (R{DS(ON)} × I{L}) ）。芯片提供4.5A（典型值）和3.6A（典型值）兩種不同的開關(guān)電流限制水平，可通過I2C接口使用CFG(0x01)寄存器中的ILIM[0]位字段進行編程。如果開關(guān)電流達到電流限制（ILIM）約2ms，芯片會鎖定輸出，可通過循環(huán)EN[0]位字段、EN引腳或VIN來重新啟用降壓 - 升壓功能。

七、I2C接口

7.1 系統(tǒng)配置

I2C總線是一個多控制器總線，MAX77847在I2C總線上作為目標設(shè)備，既可以作為發(fā)送器也可以作為接收器。I2C總線由雙向串行數(shù)據(jù)線（SDA）和串行時鐘（SCL）組成，是一個開漏總線，SDA和SCL需要上拉電阻（500Ω或更大）?？蛇x的24Ω電阻串聯(lián)在SDA和SCL上，有助于保護設(shè)備輸入免受總線上的高壓尖峰影響，同時減少串擾和總線線路上的下沖。

7.2 通信協(xié)議

• 寫入單個寄存器：控制器發(fā)送START條件，然后發(fā)送7位目標地址和寫位（R/ (bar{W} = 0) ），目標設(shè)備確認后，控制器發(fā)送8位寄存器指針和數(shù)據(jù)字節(jié)，目標設(shè)備再次確認后，數(shù)據(jù)字節(jié)在SCL上升沿加載到目標寄存器并生效。最后，控制器發(fā)送STOP條件或REPEATED START條件。
• 寫入順序寄存器：與寫入單個寄存器類似，但控制器在收到第一個數(shù)據(jù)字節(jié)后繼續(xù)寫入，直到完成所有數(shù)據(jù)的寫入，然后發(fā)送STOP或REPEATED START條件。
• 讀取單個寄存器：控制器發(fā)送START條件，發(fā)送7位目標地址和寫位，目標設(shè)備確認后，發(fā)送8位寄存器指針，再發(fā)送REPEATED START命令，發(fā)送7位目標地址和讀位，目標設(shè)備確認后，將指定寄存器位置的8位數(shù)據(jù)放在總線上，控制器發(fā)送NOT - ACKNOWLEDGE，最后發(fā)送STOP條件或REPEATED START條件。
• 讀取順序寄存器：與讀取單個寄存器類似，但控制器在收到數(shù)據(jù)后發(fā)送ACKNOWLEDGE以表示需要更多數(shù)據(jù)，直到獲取所有數(shù)據(jù)后發(fā)送NOT - ACKNOWLEDGE和STOP條件。

八、應(yīng)用信息

8.1 輸入電容選擇

使用2x 10V、X7R、10μF的標稱輸入電容（ (C{IN}) ）旁路IN引腳。較大的電容值可以提高降壓 - 升壓調(diào)節(jié)器的去耦能力，并過濾系統(tǒng)中的開關(guān)噪聲。在降壓模式下，輸入電容的RMS電流額定值需要高于 [I{RMS}=sqrt {Dtimes(1 - D)× I{o}^{2}+(D× dI^{2}/12)}] ，其中 (dI) 是電感電流紋波，D是占空比， (I{o}) 是負載電流。必要時可考慮使用多個電容并聯(lián)以滿足該規(guī)格。

8.2 輸出電容選擇

最小有效輸出電容為4.7μF，以確保小的輸出紋波和降壓 - 升壓調(diào)節(jié)器的穩(wěn)定運行。在選擇輸出電容時，需要仔細考慮電容的初始公差、溫度變化和直流偏置電壓的降額。推薦大多數(shù)應(yīng)用使用16V、22μF的陶瓷電容，X7R電介質(zhì)的陶瓷電容具有更好的有效電容和電容公差，能適應(yīng)偏置電壓和溫度的變化。典型應(yīng)用電路使用2 x 10μF、10V、X7R電容。

8.3 電感選擇

MAX77847的電流傳感電路和補償環(huán)路針對1μH電感進行了優(yōu)化。推薦選擇飽和電流大于或等于峰值電流限制設(shè)置（ILIM），并且RMS電流額定值基于給定最大負載電流下預(yù)期的連續(xù)峰值電感電流的電感。較低的DCR可以提高降壓 - 升壓效率。表3列出了不同ILIM選項的推薦電感。

8.4 PCB布局指南

• 輸入電容 (C{IN}) 和輸出電容 (C{OUT}) 應(yīng)分別緊鄰IC的IN引腳和OUT引腳放置，電容的接地引腳與IC的PGND引腳之間的走線應(yīng)通過組件安裝層進行布線，以最小化走線寄生效應(yīng)。走線應(yīng)盡可能短而寬。
• 電感應(yīng)緊鄰LX凸點/引腳放置，電感走線應(yīng)通過過孔進行布線，LX凸點/引腳與電感之間的走線應(yīng)短而寬，以最小化PCB走線阻抗。必要時可在多層上布線LX走線以進一步降低阻抗，同時避免LX走線占用過多面積。
• PCB的低阻抗接地平面應(yīng)優(yōu)先位于IC、 (C{OUT}) 、 (C{IN}) 和電感的正下方，避免切割該接地平面，以免中斷開關(guān)電流環(huán)路。
• AGND應(yīng)小心連接到PCB低阻抗接地平面上的PGND，遠離任何關(guān)鍵環(huán)路。
• IC的BIAS引腳需要與IN相同的電源輸入，應(yīng)使用專用電容（CBIAS）盡可能靠近IC進行旁路，并通過專用走線連接CBIAS和BIAS凸點/引腳，避免直接連接到最近的IN凸點/引腳而不進行專用旁路。
• OUTS凸點/引腳應(yīng)通過專用走線連接到調(diào)節(jié)點，遠離LX1和LX2等噪聲網(wǎng)絡(luò)。
• 電源走線和負載連接應(yīng)短而寬，以確保高轉(zhuǎn)換器效率。
• 不要忽視陶瓷電容的直流電壓降額，應(yīng)仔細選擇電容值和封裝尺寸。

九、總結(jié)

MAX77847作為一款高性能的降壓 - 升壓轉(zhuǎn)換器，具有寬輸入輸出電壓范圍、超低靜態(tài)電流、靈活的工作模式和完善的保護功能等優(yōu)點。在實際設(shè)計中，合理選擇外部組件（如電容、電感）和優(yōu)化PCB布局，可以充分發(fā)揮其性能優(yōu)勢，為各種電池供電應(yīng)用提供穩(wěn)定、高效的電源解決方案。電子工程師們在使用MAX77847時，需要根據(jù)具體的應(yīng)用需求，仔細配置芯片的參數(shù)和外部電路，以實現(xiàn)最佳的系統(tǒng)性能。大家在實際應(yīng)用中有沒有遇到過類似芯片的使用問題呢？歡迎在評論區(qū)分享交流。