深入剖析Microchip MTCH650/2：可編程電壓升壓芯片的卓越之選

在電子工程師的日常工作里，為各類應(yīng)用挑選合適的芯片一直都是至關(guān)重要的任務(wù)。今天咱們就來詳細(xì)探討一下Microchip公司的MTCH650和MTCH652這兩款可編程電壓升壓芯片，看看它們究竟有哪些獨(dú)特之處。

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芯片特性總覽

MTCH650和MTCH652都具備1.8V至5.5V較寬的輸入電壓范圍，且靜態(tài)電流小于200μA，關(guān)機(jī)電流低至1.5μA，這使得它們在低功耗應(yīng)用場景中表現(xiàn)出色。不過，二者也存在一些差異。MTCH650擁有21路高壓I/O線，每路輸出可提供5mA電流，最大輸出電流能達(dá)到100mA，還支持3.6至18V的外部VPPIN電壓范圍；而MTCH652則有19路高壓I/O線，內(nèi)置升壓電路、內(nèi)部開關(guān)和放電電路，在VIN = 3.6V和VOUT = 12V的條件下，最大輸出電流可達(dá)50mA。它的升壓電路由外部PWM驅(qū)動(dòng)，輸出電壓可選6V、8V、10V、12V、14V、16V和18V，還具備可選擇的限流和軟啟動(dòng)功能。

引腳功能解析

兩款芯片的引腳配置較為相似，都采用28引腳封裝，包括SOIC、SSOP和UQFN（4x4）三種類型。關(guān)鍵引腳功能如下：

• VDD：輸入電壓引腳，需要用最小1μF的電容進(jìn)行去耦接地。它是芯片的能量入口，穩(wěn)定的輸入電壓對芯片正常工作起著關(guān)鍵作用，工程師在設(shè)計(jì)時(shí)要特別注意去耦電容的選擇和布局。
• VPP/VPPIN：MTCH650的VPPIN為升壓電壓輸入，MTCH652的VPP為升壓電壓輸出，同樣需要用1μF電容去耦接地。這兩個(gè)引腳與芯片的升壓功能緊密相關(guān)，電容的參數(shù)選取直接影響到升壓的穩(wěn)定性和效率。
• OE：輸出使能輸入，邏輯為‘0’時(shí)所有輸出鎖存器接地，為‘1’時(shí)設(shè)置為驅(qū)動(dòng)‘1’的輸出鎖存器輸出升壓電壓，在關(guān)機(jī)或軟啟動(dòng)瞬態(tài)時(shí)，OE狀態(tài)被忽略，所有輸出為高阻態(tài)。它就像是一個(gè)開關(guān)，控制著輸出的通斷，在實(shí)際應(yīng)用中合理使用OE引腳可以有效管理功耗。
• LE：鎖存使能輸入，低電平有效，用于鎖存串行數(shù)據(jù)。當(dāng)它從低電平變?yōu)楦唠娖綍r(shí)，數(shù)據(jù)會被內(nèi)部鎖存。這一機(jī)制確保了數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確傳輸和存儲，對于可靠的系統(tǒng)運(yùn)行至關(guān)重要。
• DIN和CLK：分別為串行數(shù)據(jù)輸入和時(shí)鐘輸入，用于配置芯片。就像兩條信息傳輸?shù)耐ǖ溃ㄟ^它們可以將用戶的配置信息準(zhǔn)確無誤地傳遞給芯片。
• OUTxx：高壓輸出引腳，為外部設(shè)備提供高壓驅(qū)動(dòng)。輸出的穩(wěn)定性和驅(qū)動(dòng)能力直接影響到外部設(shè)備的性能，所以在設(shè)計(jì)時(shí)要充分考慮負(fù)載的需求。

工作原理與配置

上電復(fù)位（POR）

芯片內(nèi)部的POR電路會使芯片處于復(fù)位狀態(tài)，直到VDD達(dá)到VPOR。POR不可配置，當(dāng)POR激活時(shí)，所有鎖存器清零；當(dāng)VDD低于VPOR時(shí)，內(nèi)部移位寄存器復(fù)位為全‘0’。這一機(jī)制保證了芯片在啟動(dòng)時(shí)處于可預(yù)測的初始狀態(tài)，為后續(xù)的正常工作奠定基礎(chǔ)。

串行接口

通過串行接口可在芯片工作時(shí)進(jìn)行配置，時(shí)鐘和串行數(shù)據(jù)流用于配置一個(gè)3字節(jié)寬的移位寄存器，之后使用LE輸入鎖存所需數(shù)據(jù)。

• 加載數(shù)據(jù)：移位寄存器從右向左移位，數(shù)據(jù)需按MSB優(yōu)先、LSB最后的順序輸入。數(shù)據(jù)字用于選擇要通過OE循環(huán)的HV輸出，配置字用于設(shè)置關(guān)機(jī)狀態(tài)、升壓電壓、電流限制等選項(xiàng)。在實(shí)際操作中，要確保數(shù)據(jù)的輸入順序正確，否則可能導(dǎo)致芯片配置錯(cuò)誤。
• 配置字：將數(shù)據(jù)流的LSB設(shè)置為‘0’可選擇配置字，在用戶模式下，使用MTCH652時(shí)可選擇升壓電路的輸出電壓和電流限制。這一功能為用戶提供了靈活調(diào)整芯片性能的手段，以適應(yīng)不同的應(yīng)用需求。
• 數(shù)據(jù)字：由三個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)組成，用于設(shè)置MTCH650的21個(gè)輸出引腳或MTCH652的19個(gè)輸出引腳的高低電平。數(shù)據(jù)字的設(shè)置直接決定了輸出引腳的狀態(tài)，從而影響到與芯片相連的外部設(shè)備的工作情況。

電壓升壓接口（MTCH652）

MTCH652內(nèi)置電壓升壓電路，通過調(diào)制輸入信號結(jié)合外部電感和電容從VDD生成可選的高壓。

• 輸入：OSCIN為調(diào)制輸入信號，通常來自PWM，占空比范圍一般為60%至90%；VOUT<2:0>為3位輸出電壓選擇設(shè)置；ILIM<1:0>為2位電流限制設(shè)置；VPPIN為MTCH650的HV輸入。這些輸入?yún)?shù)的合理設(shè)置對于升壓電路的性能至關(guān)重要，工程師需要根據(jù)具體的應(yīng)用場景進(jìn)行精確調(diào)整。
• 輸出：VPP為升壓電路的HV輸出，LC為升壓電路的外部電感和電容連接。輸出的穩(wěn)定性和電壓值直接影響到外部設(shè)備的正常工作，所以要確保輸出參數(shù)符合設(shè)計(jì)要求。
• 軟啟動(dòng)：升壓電路具備自動(dòng)軟啟動(dòng)功能，可防止高初始浪涌電流拉低電源，導(dǎo)致系統(tǒng)欠壓。在啟用升壓電路后的最初16384個(gè)OSCIN周期（1MHz OSCIN頻率下約16ms）內(nèi)，電流限制在約200mA，軟啟動(dòng)超時(shí)后，電流限制恢復(fù)到ILIM<1:0>設(shè)置的值。軟啟動(dòng)功能可以有效保護(hù)電源和其他電路元件，提高系統(tǒng)的可靠性。
• VPP放電：當(dāng)VOUT<2:0>的值更改為較低電壓且電路處于活動(dòng)狀態(tài)時(shí)，VPP放電晶體管啟用，直到達(dá)到新的較低VOUT值。這一功能可以快速調(diào)整輸出電壓，提高系統(tǒng)的響應(yīng)速度。

應(yīng)用設(shè)計(jì)要點(diǎn)

元件選擇

• 輸入電容：使用輸入旁路電容可減少從輸入電源汲取的峰值電流瞬變和升壓產(chǎn)生的開關(guān)噪聲，通常選用1μF至10μF的陶瓷低ESR X5R或X7R電容。在對高頻噪聲極為敏感的應(yīng)用中，可將較小、帶寬較高的電容與標(biāo)準(zhǔn)推薦值并聯(lián)；在使用遠(yuǎn)低于1MHz開關(guān)頻率或峰值電感電流大于1A的情況下，也可將更大容量的電容與標(biāo)準(zhǔn)值并聯(lián)。合適的輸入電容可以提高電源的穩(wěn)定性，減少噪聲干擾。
• 輸出電容：輸出電容有助于在突然的負(fù)載瞬變期間提供穩(wěn)定的輸出電壓并減少輸出電壓紋波，同樣推薦使用X5R和X7R陶瓷電容，典型值為1μF至10μF。不過要注意，增加電容值會增加升壓電壓切換時(shí)的上升和下降時(shí)間。
• 電感：MTCH652可搭配小型表面貼裝電感，典型電感值為1μH至10μH，初始評估推薦使用2.2μH的電感。選擇電感時(shí)需要考慮最大額定電流、飽和電流和銅電阻（ESR）等參數(shù)，較低的ESR值可提高轉(zhuǎn)換器的效率，但這通常需要在元件尺寸和效率之間進(jìn)行權(quán)衡。合理的電感選擇可以提高升壓電路的效率和穩(wěn)定性。

PCB布局

在進(jìn)行PCB布局時(shí)，要注意采用合理的布線技術(shù)。高電流路徑應(yīng)使用短而寬的走線，輸入和輸出電容要盡可能靠近MTCH652以減小環(huán)路面積。HV輸出應(yīng)遠(yuǎn)離開關(guān)節(jié)點(diǎn)和開關(guān)電流環(huán)路，必要時(shí)使用接地平面和走線來屏蔽反饋信號，減少噪聲和磁干擾。當(dāng)MTCH650/2與敏感信號線一起使用時(shí)，HV輸出應(yīng)進(jìn)行屏蔽或遠(yuǎn)離這些信號線。良好的PCB布局可以提高系統(tǒng)的抗干擾能力和穩(wěn)定性。

應(yīng)用實(shí)例

MTCH650/2使用起來非常簡便，只需配置配置字和數(shù)據(jù)字即可。以PIC?微控制器和MTCH652的典型應(yīng)用為例：

• 連接：需要從主機(jī)側(cè)連接PWM（僅MTCH652）、OE、LE、SDO（串行數(shù)據(jù)輸出）和SCLK（串行數(shù)據(jù)時(shí)鐘輸出）引腳，這些引腳可以來自標(biāo)準(zhǔn)MSSP模塊或通過位操作實(shí)現(xiàn)。正確的連接方式是確保芯片正常工作的前提，工程師在連接時(shí)要仔細(xì)核對引腳定義。
• 初始化：首先將主機(jī)用于OE和LE功能的I/O端口配置為輸出，將OE設(shè)置為低電平，LE設(shè)置為高電平；然后將主機(jī)SPI端口配置為1MHz或等效的位操作功能；主機(jī)發(fā)送命令將MTCH650/2的配置字設(shè)置為默認(rèn)值；對于MTCH652，還需要配置主機(jī)PWM以在正確的I/O引腳輸出，建議PWM初始頻率為500kHz，占空比為70%，后續(xù)可根據(jù)需要調(diào)整參數(shù)以優(yōu)化效率和紋波。
• SPI操作：遵循PIC MCU MSSP SPI默認(rèn)設(shè)置，先使LE無效，主機(jī)在CLK為低電平時(shí)改變DIN狀態(tài)，MTCH650/2在CLK的低到高轉(zhuǎn)換時(shí)鎖存數(shù)據(jù)，時(shí)鐘同步所有串行數(shù)據(jù)后使LE有效，將新數(shù)據(jù)鎖存到MTCH650/2內(nèi)部寄存器。
• 升壓電壓設(shè)置：通過配置字中的VOUT<2:0>設(shè)置升壓電壓，升壓電壓變化的上升和下降時(shí)間取決于ILIM、電容和VPP，用戶在更改升壓電壓時(shí)要確保新的VPP電壓穩(wěn)定到正確值。
• 低功耗模式：要實(shí)現(xiàn)低功耗或關(guān)機(jī)模式，可將VOUT<2:0>設(shè)置為000，并關(guān)閉PWM。
• HV電平轉(zhuǎn)換器和OE控制：通過數(shù)據(jù)字中的OUTSEL<20:0>位控制HV電平轉(zhuǎn)換器，只有在OUTSEL中設(shè)置的位在OE有效時(shí)才會在HV電平轉(zhuǎn)換器上設(shè)置升壓電壓，其他位保持在VSS的非激活狀態(tài)；OE無效時(shí)，所有HV電平轉(zhuǎn)換器保持在VSS。需要注意的是，MTCH652的電流驅(qū)動(dòng)能力有限，同時(shí)驅(qū)動(dòng)所有HV電平轉(zhuǎn)換器可能會導(dǎo)致升壓電壓意外下降，此時(shí)可降低升壓電壓或使用帶有外部高壓電源的MTCH650。

電氣特性與包裝信息

電氣特性

芯片的電氣特性涵蓋絕對最大額定值、標(biāo)準(zhǔn)工作條件、DC特性、模擬和AC特性以及熱特性等方面。在實(shí)際應(yīng)用中，必須確保芯片的工作條件在這些特性規(guī)定的范圍內(nèi)，以保證芯片的性能和可靠性。例如，要注意環(huán)境溫度、電壓范圍、電流限制等參數(shù)，避免超出芯片的承受能力。

包裝信息

芯片提供28引腳的SOIC、SSOP和UQFN（4x4）封裝，每種封裝都有相應(yīng)的標(biāo)記信息和詳細(xì)的尺寸規(guī)格。在進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)，要根據(jù)實(shí)際需求選擇合適的封裝形式，并參考相關(guān)的封裝圖紙進(jìn)行PCB設(shè)計(jì)。

總的來說，Microchip的MTCH650和MTCH652芯片憑借其豐富的功能、低功耗特性和靈活的配置選項(xiàng)，在高壓驅(qū)動(dòng)應(yīng)用中具有很大的優(yōu)勢。電子工程師在設(shè)計(jì)相關(guān)電路時(shí)，可以充分利用它們的特點(diǎn)，但也要注意在元件選擇、PCB布局和芯片配置等方面遵循相應(yīng)的規(guī)則和建議，以確保系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。大家在使用這兩款芯片的過程中，有沒有遇到什么特別的問題或者獨(dú)特的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)?zāi)兀繗g迎在評論區(qū)分享交流。