剖析MAX20310：可穿戴應(yīng)用的低功耗PMIC解決方案

在可穿戴設(shè)備市場(chǎng)蓬勃發(fā)展的今天，對(duì)電源管理集成電路（PMIC）的要求也越來(lái)越高。既要滿(mǎn)足空間受限的設(shè)計(jì)需求，又要保證高效、低功耗的性能。ADI公司的MAX20310就是一款專(zhuān)為可穿戴應(yīng)用量身打造的PMIC，下面我們就來(lái)深入了解一下這款產(chǎn)品。

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產(chǎn)品概述

MAX20310是一款緊湊型PMIC，適用于對(duì)尺寸和效率要求極高的電池供電應(yīng)用。它集成了兩個(gè)單電感多輸出（SIMO）降壓 - 升壓輸出、兩個(gè)LDO以及其他系統(tǒng)電源管理功能，如按鈕監(jiān)控和順序控制器。該器件采用16凸點(diǎn)、0.4mm間距、1.63mm x 1.63mm晶圓級(jí)封裝（WLP），工作溫度范圍為 - 40°C至 + 85°C。

關(guān)鍵特性與優(yōu)勢(shì)

延長(zhǎng)系統(tǒng)電池使用時(shí)間

• SIMO超低IQ降壓 - 升壓調(diào)節(jié)器：采用單電感多輸出架構(gòu)，電池輸入電壓范圍為0.7V至2.0V，輸出電壓可在0.9V至4.05V之間編程，最大總輸入功率為250mW。每個(gè)通道的增量電容靜態(tài)電流僅為1μA，在1.8V、10mA輸出時(shí)效率可達(dá)84%，同時(shí)具備輸入電流限制功能。
• 雙超低IQ 50mA LDO：由雙降壓 - 升壓輸出供電，輸出電壓可在0.5V至3.65V之間編程，每個(gè)LDO的靜態(tài)電流為1.1μA，每個(gè)負(fù)載開(kāi)關(guān)的靜態(tài)電流為600nA，還可配置為負(fù)載開(kāi)關(guān)。

延長(zhǎng)產(chǎn)品貨架壽命

具備電池密封模式，典型電池電流僅為10nA，可有效降低電池在儲(chǔ)存期間的損耗。

最小化電路板面積

采用1.63mm x 1.63mm的WLP封裝，大大節(jié)省了電路板空間，非常適合對(duì)尺寸要求嚴(yán)格的可穿戴設(shè)備。

易于實(shí)現(xiàn)的系統(tǒng)控制

• 電壓監(jiān)控多路復(fù)用器：具有1%精度的電池逆變器（在1.0V時(shí)±10mV），可方便地監(jiān)控各個(gè)功能的電源輸入和輸出。
• 電源按鈕監(jiān)控：提供緩沖輸出，可實(shí)現(xiàn)對(duì)電源按鈕的有效監(jiān)控。
• 電源排序：可對(duì)電壓調(diào)節(jié)器的上電順序進(jìn)行配置，確保系統(tǒng)穩(wěn)定啟動(dòng)。
• 復(fù)位輸出：提供復(fù)位信號(hào)，保證系統(tǒng)在異常情況下能夠正常復(fù)位。
• I2C控制接口：通過(guò)I2C接口與主機(jī)微控制器進(jìn)行通信，方便進(jìn)行配置和狀態(tài)監(jiān)控。

電氣特性

在電氣特性方面，MAX20310表現(xiàn)出色。在 (V{BAT}= + 1.2V)、(V{BB1OUT} = + 1.8V)、(V{BB2OUT} = + 1.2V)、(V{L1OUT} = + 1.5V)、(V{L2OUT} = + 1.0V)、(I{BB1OUT} = I{BB2OUT} = I{L1OUT} = I{L2OUT} = 0A)、(T{A} = - 40°C)至 + 85°C的條件下，各項(xiàng)參數(shù)均滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。例如，在密封模式下，所有功能禁用時(shí)，密封輸入電流僅為0.01 - 0.2μA；降壓 - 升壓調(diào)節(jié)器的輸入電壓范圍為0.7 - 2V，啟動(dòng)電壓為0.8 - 2V，輸出電壓范圍為0.9 - 4.05V，靜態(tài)電源電流在突發(fā)模式下、無(wú)開(kāi)關(guān)動(dòng)作且(V_{BB_OUT} = + 1.8V)時(shí)為1μA等。

功能模塊詳解

電源調(diào)節(jié)

• 開(kāi)關(guān)調(diào)節(jié)器：采用反相降壓 - 升壓拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，以電池正極為地，將電池配置為負(fù)電源，開(kāi)關(guān)調(diào)節(jié)器輸出為正。該調(diào)節(jié)器工作電壓范圍為 - 2.0V至 - 0.7V，但啟動(dòng)時(shí)需要 - 0.8V。輸出電壓可按50mV增量獨(dú)立配置。
• LDO：為需要低噪聲電源或額外穩(wěn)壓電壓的應(yīng)用提供支持。每個(gè)LDO在正常工作時(shí)可提供高達(dá)50mA的電流，其輸入由降壓 - 升壓輸出提供。LDO可作為開(kāi)關(guān)使用，斷開(kāi)外圍系統(tǒng)的靜態(tài)負(fù)載，從而延長(zhǎng)電池壽命。LDO輸出電壓可在0.5至3.65V之間按50mV增量配置。

電壓監(jiān)控多路復(fù)用器

除了四個(gè)調(diào)節(jié)器輸出外，MAX20310還集成了一個(gè)電壓監(jiān)控多路復(fù)用器。通過(guò)I2C控制的多路復(fù)用器，可將MON引腳連接到任何一個(gè)調(diào)節(jié)器輸出或BATN，方便進(jìn)行ADC測(cè)量。同時(shí)，通過(guò)反相放大器緩沖BATN通道，可使正單端ADC測(cè)量電壓。

多功能控制輸入

MPC引腳可根據(jù)降壓 - 升壓和LDO配置及序列寄存器設(shè)置控制器件內(nèi)部的各種功能。對(duì)于至少有一個(gè)BBst_Seq[2:0]或LDO_Seq[2:0]字段在工廠設(shè)置為101（由MPC啟用，低電平有效）或110（由MPC啟用，高電平有效）的器件，MPC引腳可配置為控制多功能輸出（MPO）引腳，實(shí)現(xiàn)電平轉(zhuǎn)換到電池電壓。

多功能輸出

MPO引腳可配置為下拉到BATN、上拉到GND、上拉/下拉（推挽）或禁用（無(wú)拉）。對(duì)于至少有一個(gè)BBst_Seq[2:0]或LDO_Seq[2:0]字段在工廠設(shè)置為101或110的器件，MPOCfg寄存器允許通過(guò)I2C命令或MPC引腳控制MPO引腳的狀態(tài)；對(duì)于沒(méi)有這些字段設(shè)置的器件，MPO輸出只能通過(guò)I2C命令控制。

電源開(kāi)/關(guān)和復(fù)位控制

MAX20310具有關(guān)機(jī)模式，可最小化電池消耗。在關(guān)機(jī)模式下，所有輸出禁用，器件等待KIN輸入激活以喚醒。KIN輸入內(nèi)部上拉到GND，短接到BATN可喚醒器件。KIN狀態(tài)的開(kāi)漏緩沖副本可在KOUT獲得，方便系統(tǒng)監(jiān)控按鈕狀態(tài)。上電時(shí)，每個(gè)功能可由順序控制器自動(dòng)啟用，也可保持關(guān)閉直到I2C命令啟用，具體行為由工廠設(shè)置決定。同時(shí)，該器件還具備按鈕監(jiān)控功能，可根據(jù)按鈕長(zhǎng)按或短按產(chǎn)生不同動(dòng)作。

反向電池保護(hù)

對(duì)于一些使用無(wú)機(jī)械反向安裝保護(hù)電池的應(yīng)用，可通過(guò)一個(gè)外部nMOSFET和電阻實(shí)現(xiàn)反向電池保護(hù)。在正常操作時(shí)，100Ω電阻在啟動(dòng)時(shí)減緩(C_{IN})的充電，直到(VCAP) VBATN超過(guò)外部MOSFET的閾值，之后電路正常工作；在電池反向時(shí)，100Ω電阻限制電池電流，保護(hù)下游系統(tǒng)。

電源排序

電壓調(diào)節(jié)器的上電順序可配置，調(diào)節(jié)器可在上電過(guò)程的四個(gè)點(diǎn)之一開(kāi)啟：上電事件后100ms、RST信號(hào)釋放后，或在這兩個(gè)點(diǎn)之間的兩個(gè)固定比例點(diǎn)。復(fù)位延遲的總時(shí)間可通過(guò)PwrCfg寄存器配置。此外，調(diào)節(jié)器在復(fù)位釋放后可由順序器、輸入引腳或I2C命令控制。需要注意的是，LDO在相關(guān)開(kāi)關(guān)輸出啟用后才會(huì)開(kāi)啟。

I2C接口

MAX20310通過(guò)兩線(xiàn)I2C接口與主機(jī)微控制器通信，配置設(shè)置和狀態(tài)信息可通過(guò)該接口獲取。寫(xiě)操作的從地址為0x50，讀操作的從地址為0x51。在I2C通信中，涉及到起始、停止和重復(fù)起始條件，以及單字節(jié)寫(xiě)、突發(fā)寫(xiě)、單字節(jié)讀和突發(fā)讀等操作，同時(shí)還需要注意確認(rèn)位（ACK和NACK）的使用。

應(yīng)用信息

始終開(kāi)啟的設(shè)備

由于其低功耗特性，MAX20310非常適合始終開(kāi)啟的應(yīng)用。對(duì)于這類(lèi)應(yīng)用，應(yīng)選擇(PwrCfgMd[1:0] = 00)的版本，并將KIN輸入連接到BATN。這樣，當(dāng)插入新電池或移除產(chǎn)品貨架期使用的電池標(biāo)簽時(shí)，KIN被拉到BATN，設(shè)備開(kāi)啟。

額外的電壓調(diào)節(jié)器

在使用額外電壓調(diào)節(jié)器直接從電池供電的應(yīng)用中，需要仔細(xì)考慮電池和系統(tǒng)電源域。由于MAX20310采用負(fù)電池實(shí)現(xiàn)，系統(tǒng)電源域的公共節(jié)點(diǎn)（GND）連接到電池正極。使用電池作為正電源的調(diào)節(jié)器應(yīng)將BATN作為本地地，GND作為輸入電源，但輸出必須始終參考電池正極（GND），這可能導(dǎo)致調(diào)節(jié)器輸出電壓隨電池放電而變化。

總結(jié)

MAX20310以其出色的低功耗性能、緊湊的封裝和豐富的功能，為可穿戴設(shè)備的電源管理提供了一個(gè)優(yōu)秀的解決方案。無(wú)論是延長(zhǎng)電池使用時(shí)間、節(jié)省電路板空間，還是實(shí)現(xiàn)靈活的系統(tǒng)控制，MAX20310都表現(xiàn)得十分出色。對(duì)于電子工程師來(lái)說(shuō)，在設(shè)計(jì)可穿戴設(shè)備時(shí)，MAX20310無(wú)疑是一個(gè)值得考慮的選擇。你在實(shí)際應(yīng)用中是否使用過(guò)類(lèi)似的PMIC呢？歡迎在評(píng)論區(qū)分享你的經(jīng)驗(yàn)和見(jiàn)解。