深入解析MAX14690：低功耗可穿戴設(shè)備的理想電源管理解決方案

在當(dāng)今的電子設(shè)備市場(chǎng)中，可穿戴設(shè)備、健身監(jiān)測(cè)器以及便攜式醫(yī)療設(shè)備等小型鋰離子系統(tǒng)對(duì)電源管理的要求越來(lái)越高。既要保證設(shè)備的長(zhǎng)續(xù)航能力，又要實(shí)現(xiàn)高效穩(wěn)定的電源供應(yīng)。Maxim Integrated推出的MAX14690電源管理集成電路（PMIC），正是滿足這些需求的理想選擇。今天，我們就來(lái)深入了解一下這款MAX14690。

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一、產(chǎn)品概述

MAX14690是一款專為低功耗可穿戴應(yīng)用設(shè)計(jì)的電池充電管理解決方案。它集成了線性電池充電器、智能電源選擇器以及多個(gè)電源優(yōu)化外設(shè)，能夠?yàn)樾⌒弯囯x子系統(tǒng)提供高效、穩(wěn)定的電源管理。該器件具有兩個(gè)超低功耗降壓調(diào)節(jié)器和三個(gè)超低功耗低壓差（LDO）線性調(diào)節(jié)器，總共可提供多達(dá)五種穩(wěn)壓電壓，且每種電壓的靜態(tài)電流極低，這對(duì)于24/7運(yùn)行的設(shè)備（如可穿戴市場(chǎng)中的設(shè)備）的電池壽命至關(guān)重要。

二、關(guān)鍵特性與優(yōu)勢(shì)

（一）延長(zhǎng)電池充電間隔時(shí)間

• 雙超低IQ 200mA降壓調(diào)節(jié)器：典型靜態(tài)電流僅為0.9μA，輸出電壓可在0.8V至1.8V和1.5V至3.3V之間編程，支持自動(dòng)突發(fā)或強(qiáng)制PWM模式，能夠在不同負(fù)載情況下實(shí)現(xiàn)高效的電源轉(zhuǎn)換。
• 三個(gè)超低IQ 100mA LDO：典型靜態(tài)電流為0.6μA，輸出電壓可在0.8V至3.6V之間編程，輸入電壓范圍為2.7V至5.5V，且每個(gè)LDO都有專用輸入引腳，為系統(tǒng)提供了靈活的電源配置選項(xiàng)。

（二）易于實(shí)現(xiàn)的鋰離子電池充電

• 智能電源選擇器：允許在連接電源時(shí)對(duì)沒(méi)電的電池進(jìn)行操作，同時(shí)通過(guò)I2C寄存器設(shè)置限制輸入電流，避免電源適配器過(guò)載。當(dāng)充電器電源無(wú)法滿足整個(gè)系統(tǒng)負(fù)載時(shí)，智能電源控制電路會(huì)從電池補(bǔ)充系統(tǒng)負(fù)載電流。
• 寬輸入電壓范圍：支持28V / -5.5V的輸入電壓，并且具備熱敏電阻監(jiān)測(cè)功能，可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電池溫度，確保充電安全。

（三）高度集成，減小解決方案尺寸

• 提供五路穩(wěn)壓軌：MAX14690集成了多個(gè)調(diào)節(jié)器，能夠同時(shí)為系統(tǒng)的不同部分提供穩(wěn)定的電源，減少了外部元件的使用，從而減小了整體解決方案的尺寸。
• LDO開(kāi)關(guān)模式選項(xiàng)：每個(gè)LDO調(diào)節(jié)器都可以配置為電源開(kāi)關(guān)，用于斷開(kāi)系統(tǒng)外設(shè)的靜態(tài)負(fù)載，進(jìn)一步優(yōu)化電源管理。

（四）優(yōu)化系統(tǒng)控制

• 超低功耗模式監(jiān)測(cè)：通過(guò)監(jiān)測(cè)按鈕輸入，可使設(shè)備進(jìn)入超低功耗模式，延長(zhǎng)電池續(xù)航時(shí)間。
• 上電復(fù)位延遲和電壓排序：提供延遲復(fù)位信號(hào)和電壓排序功能，確保系統(tǒng)在啟動(dòng)時(shí)能夠按照正確的順序進(jìn)行初始化，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。
• 片上電壓監(jiān)測(cè)多路復(fù)用器：方便對(duì)系統(tǒng)中的多個(gè)電壓進(jìn)行監(jiān)測(cè)和管理。

三、電氣特性詳解

（一）全局電源電流

在不同的工作模式下，MAX14690的電源電流表現(xiàn)出色。例如，在充電器輸入電流方面，當(dāng)所有功能禁用時(shí)，典型值僅為0.26mA；而在電源開(kāi)啟且處于特定工作模式下，電流也能保持在合理范圍內(nèi)。在電池輸入電流方面，不同的工作狀態(tài)下，電流值也有所不同，如在電源關(guān)閉且SYS開(kāi)關(guān)斷開(kāi)時(shí)，典型值為0.95μA。

（二）降壓調(diào)節(jié)器

• 降壓調(diào)節(jié)器1：輸入電壓范圍為2.7V至5.5V，輸出電壓可在0.8V至1.8V之間以25mV的步長(zhǎng)進(jìn)行編程。在突發(fā)模式下，靜態(tài)電源電流典型值為0.915μA，輸出精度可達(dá)±2.9%，負(fù)載調(diào)節(jié)性能良好，最大輸出電流可達(dá)200mA。
• 降壓調(diào)節(jié)器2：輸入電壓同樣為2.7V至5.5V，輸出電壓在1.5V至3.3V之間以50mV的步長(zhǎng)編程。其性能與降壓調(diào)節(jié)器1類似，能夠?yàn)橄到y(tǒng)提供穩(wěn)定的電源輸出。

（三）LDO調(diào)節(jié)器

LDO調(diào)節(jié)器的輸入電壓范圍根據(jù)不同的模式有所不同，在LDO_Mode = 0時(shí)為2.7V至5.5V，LDO_Mode = 1時(shí)為1.8V至5.5V。典型靜態(tài)電源電流為0.56μA，最大輸出電流為100mA，輸出電壓可在0.8V至3.6V之間編程，輸出精度可達(dá)±3%，能夠滿足系統(tǒng)對(duì)不同電壓的需求。

（四）充電相關(guān)特性

• 充電輸入電壓范圍：CHGIN輸入電壓范圍為 -5.5V至28V，允許的BAT電壓范圍為0V至5.5V。同時(shí)，還具備CHGIN檢測(cè)閾值、過(guò)壓閾值等保護(hù)機(jī)制，確保充電過(guò)程的安全可靠。
• 充電電流設(shè)置：通過(guò)外部電阻連接SET到GND來(lái)設(shè)置快速充電電流，預(yù)充電和充電終止電流可通過(guò)I2C寄存器編程為該值的百分比?？焖俪潆婋娏麟娮杩筛鶕?jù)公式 (R{SET}=K{SET} × V{SET} / I{FChg}) 進(jìn)行計(jì)算，其中 (K{SET}) 典型值為2000A/A，(V{SET}) 典型值為1V，(R_{SET}) 的可接受范圍為4kΩ至400kΩ。

四、功能模塊分析

（一）電源調(diào)節(jié)

MAX14690包含兩個(gè)高效、低靜態(tài)電流的降壓調(diào)節(jié)器和三個(gè)低靜態(tài)電流的線性調(diào)節(jié)器，這些調(diào)節(jié)器還可配置為電源開(kāi)關(guān)。降壓調(diào)節(jié)器的標(biāo)準(zhǔn)工作模式為突發(fā)模式，但也可以通過(guò)I2C寄存器強(qiáng)制工作在PWM模式。這種靈活的工作模式選擇，能夠在不同負(fù)載情況下實(shí)現(xiàn)高效的電源轉(zhuǎn)換，保證系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。

（二）電源開(kāi)關(guān)與復(fù)位控制

電源功能控制引腳（PFN1和PFN2）的行為預(yù)配置為支持多種可穿戴應(yīng)用場(chǎng)景。通過(guò)PwrRstCfg[3:0]位可以設(shè)置不同的工作模式，如開(kāi)/關(guān)模式、始終開(kāi)啟模式等。軟復(fù)位會(huì)重置所有寄存器值并拉低RST線，硬復(fù)位則會(huì)啟動(dòng)完整的上電復(fù)位序列。這種靈活的復(fù)位控制機(jī)制，能夠滿足不同系統(tǒng)的啟動(dòng)和復(fù)位需求。

（三）電源排序

在電源開(kāi)啟過(guò)程中，降壓調(diào)節(jié)器和LDO的排序是可配置的。調(diào)節(jié)器可以在電源開(kāi)啟過(guò)程的三個(gè)不同點(diǎn)開(kāi)啟：上電事件后34ms、RST信號(hào)釋放后或兩者之間的兩個(gè)固定點(diǎn)。復(fù)位延遲的總時(shí)間也可以通過(guò)配置進(jìn)行調(diào)整（80ms、120ms、220ms、420ms）。此外，在電源開(kāi)啟序列中會(huì)監(jiān)測(cè)SYS電壓，如果檢測(cè)到欠壓情況，會(huì)根據(jù)CHGIN的電壓情況進(jìn)行相應(yīng)處理，以確保系統(tǒng)的穩(wěn)定供電。

（四）智能電源選擇器

智能電源選擇器能夠?qū)⑼獠緾HGIN輸入的電源無(wú)縫分配到電池（BAT）和系統(tǒng)（SYS）。當(dāng)系統(tǒng)負(fù)載需求小于輸入電流限制時(shí)，電池會(huì)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)，電池會(huì)為負(fù)載提供補(bǔ)充電流；當(dāng)電池連接且沒(méi)有外部電源輸入時(shí)，系統(tǒng)由電池供電。這種智能的電源分配機(jī)制，能夠充分利用電源資源，提高系統(tǒng)的續(xù)航能力。

（五）熱電流調(diào)節(jié)

當(dāng)芯片溫度超過(guò)正常限制時(shí)，MAX14690會(huì)通過(guò)減少CHGIN的輸入電流來(lái)嘗試限制溫度升高。在這種情況下，系統(tǒng)負(fù)載優(yōu)先于充電器電流，因此首先會(huì)降低充電電流。如果結(jié)溫繼續(xù)上升并達(dá)到最大工作限制，將不再?gòu)腃HGIN吸取輸入電流，整個(gè)系統(tǒng)負(fù)載由電池供電。這種熱保護(hù)機(jī)制能夠確保芯片在高溫環(huán)境下的安全運(yùn)行。

（六）系統(tǒng)負(fù)載開(kāi)關(guān)

當(dāng)CHGIN上沒(méi)有電壓源時(shí)，內(nèi)部80mW（典型值）的MOSFET會(huì)將SYS連接到BAT。當(dāng)檢測(cè)到CHGIN上有外部電源時(shí)，該開(kāi)關(guān)會(huì)打開(kāi)，SYS通過(guò)輸入電流限制器從輸入源獲取電源。SYS到BAT的開(kāi)關(guān)還可以防止Vsys在系統(tǒng)負(fù)載超過(guò)輸入電流限制時(shí)低于 (V_{BAT})。如果VSYS由于電流限制而降至VBAT，負(fù)載開(kāi)關(guān)會(huì)打開(kāi)，使負(fù)載由電池支持。這種負(fù)載開(kāi)關(guān)機(jī)制能夠有效地保護(hù)系統(tǒng)和電池，確保系統(tǒng)在不同負(fù)載情況下的穩(wěn)定運(yùn)行。

（七）輸入限制器

輸入限制器負(fù)責(zé)將外部適配器的電源分配到系統(tǒng)負(fù)載和電池充電器。它不僅具有將電源傳遞到系統(tǒng)負(fù)載和充電器的主要功能，還具備多項(xiàng)額外功能，以優(yōu)化可用電源的使用：

• 無(wú)效CHGIN電壓保護(hù)：當(dāng)CHGIN超過(guò)過(guò)壓閾值時(shí)，MAX14690會(huì)進(jìn)入過(guò)壓鎖定（OVL）狀態(tài)，保護(hù)芯片和下游電路免受高達(dá)28V和低至 -5.5V的高壓應(yīng)力影響。在OVL期間，內(nèi)部電路保持供電，并向主機(jī)發(fā)送中斷信號(hào)，同時(shí)充電器關(guān)閉，系統(tǒng)負(fù)載開(kāi)關(guān)閉合，允許電池為SYS供電。
• CHGIN輸入電流限制：通過(guò)I2C控制CHGIN輸入電流，防止輸入過(guò)載。
• 熱限制：當(dāng)芯片溫度超過(guò)正常限制（TCHG_LIM）時(shí)，會(huì)嘗試通過(guò)減少CHGIN的輸入電流來(lái)限制溫度升高。如果結(jié)溫繼續(xù)上升并達(dá)到最大工作限制（TCHGIN_SHDN），將不再?gòu)腃HGIN吸取輸入電流，整個(gè)系統(tǒng)負(fù)載由電池供電。
• 自適應(yīng)電池充電：當(dāng)系統(tǒng)由CHGIN供電時(shí)，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)減少充電電流，以防止VSYS崩潰。

（八）熱敏電阻/JEITA監(jiān)測(cè)與充電器關(guān)閉

MAX14690包含熱敏電阻和JEITA監(jiān)測(cè)功能，以增強(qiáng)鋰離子電池充電時(shí)的安全性。通過(guò)測(cè)量電池組溫度，可以根據(jù)不同的溫度區(qū)域?qū)Τ潆娖鬟M(jìn)行控制。當(dāng)熱敏電阻監(jiān)測(cè)啟用時(shí)，在溫度低于T1或高于T3時(shí)，充電器將被禁用；當(dāng)JEITA監(jiān)測(cè)啟用時(shí)，在溫度低于T1或高于T4時(shí)，充電器將被禁用。這種溫度監(jiān)測(cè)和控制機(jī)制能夠有效避免電池在異常溫度下充電，延長(zhǎng)電池壽命。

五、I2C接口與寄存器配置

（一）I2C接口概述

MAX14690使用兩線I2C接口與主機(jī)微控制器進(jìn)行通信。該接口支持最高400kHz的時(shí)鐘頻率，SCL和SDA需要連接上拉電阻到正電源。通過(guò)I2C接口，可以對(duì)MAX14690的各種配置設(shè)置和狀態(tài)信息進(jìn)行讀寫(xiě)操作。

（二）I2C通信操作

• 單字節(jié)寫(xiě)入：主機(jī)發(fā)送起始條件、7位從機(jī)地址加寫(xiě)位、8位寄存器地址、8位數(shù)據(jù)位，最后發(fā)送停止條件。
• 突發(fā)寫(xiě)入：與單字節(jié)寫(xiě)入類似，但主機(jī)可以發(fā)送多個(gè)數(shù)據(jù)字節(jié)，從機(jī)設(shè)備會(huì)自動(dòng)遞增寄存器地址。
• 單字節(jié)讀取：主機(jī)發(fā)送起始條件、7位從機(jī)地址加寫(xiě)位、8位寄存器地址，然后發(fā)送重復(fù)起始條件、7位從機(jī)地址加讀位，從機(jī)發(fā)送8位數(shù)據(jù)，主機(jī)發(fā)送非應(yīng)答位和停止條件。
• 突發(fā)讀取：與單字節(jié)讀取類似，但主機(jī)可以接收多個(gè)數(shù)據(jù)字節(jié)。

（三）寄存器配置

MAX14690的寄存器包括芯片ID、狀態(tài)寄存器、中斷寄存器、配置寄存器等。通過(guò)對(duì)這些寄存器的配置，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)MAX14690的各種功能進(jìn)行控制和監(jiān)測(cè)。例如，通過(guò)配置ILimCntl寄存器可以設(shè)置CHGIN的輸入電流限制；通過(guò)配置ChgCntlA寄存器可以控制充電器的自動(dòng)停止、自動(dòng)重啟、充電閾值等功能。

六、應(yīng)用領(lǐng)域與總結(jié)

MAX14690適用于多種應(yīng)用領(lǐng)域，如可穿戴電子產(chǎn)品、健身監(jiān)測(cè)器和便攜式醫(yī)療設(shè)備等。其超低功耗、高度集成和靈活的配置選項(xiàng)，能夠滿足這些應(yīng)用對(duì)電源管理的嚴(yán)格要求，延長(zhǎng)設(shè)備的電池續(xù)航時(shí)間，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。

在實(shí)際設(shè)計(jì)中，電子工程師可以根據(jù)具體的應(yīng)用需求，合理配置MAX14690的各項(xiàng)參數(shù)和功能，充分發(fā)揮其優(yōu)勢(shì)。同時(shí)，通過(guò)對(duì)I2C接口和寄存器的操作，實(shí)現(xiàn)對(duì)電源管理的精確控制。相信MAX14690將為小型鋰離子系統(tǒng)的電源管理提供一個(gè)優(yōu)秀的解決方案。

各位工程師朋友們，你們?cè)趯?shí)際項(xiàng)目中是否也遇到過(guò)類似的電源管理問(wèn)題呢？你們對(duì)MAX14690的應(yīng)用有什么想法或經(jīng)驗(yàn)分享嗎？歡迎在評(píng)論區(qū)留言討論！