MAX77837：一款适用于可穿戴和物联网应用的高性能Buck-Boost转换器

在当今的电子设备设计中，尤其是可穿戴设备和物联网应用，对电源管理芯片的要求越来越高，不仅需要高效稳定的电压转换，还对功耗和尺寸有着严格的限制。Analog Devices推出的MAX77837纳米功率Buck-Boost转换器，就是为满足这些需求而设计的一款优秀产品。

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一、产品概述

MAX77837是业界最小的纳米功率Buck-Boost转换器，专为可穿戴和物联网应用中使用的单节电池化学设计进行了优化。它的输入电压范围为1.8V至5.5V，输出电压可通过连接到两个硬件控制引脚的电阻在1.8V至5.2V之间设置。该IC可以在连续导通模式（CCM）、跳过模式和低功耗模式下运行，以确保在宽负载电流范围内实现高效率。此外，它还具有超低的典型静态电流430nA和典型关断电流10nA，非常适合需要长待机时间的电池供电应用。

二、产品特性与优势

1. 宽输入输出电压范围

输入电压范围为1.8V至5.5V，输出电压组合从1.8V到5.2V，能够适应多种电池供电和负载需求。

2. 高效率

峰值效率可达95%（5.5V输入，3.8V输出），有效减少了能量损耗，延长了电池续航时间。

3. 低功耗

典型静态电流430nA，关断电流仅10nA，大大降低了系统在待机状态下的功耗。

4. 灵活的配置

通过SEL1和SEL2两个硬件控制引脚，可以灵活选择输出电压、开关电流限制、动态电压缩放（DVS）功能以及保护模式等。

5. 多种保护功能

具备输入欠压锁定（UVLO）、过流保护（OCP）和热关断等保护功能，提高了系统的可靠性和稳定性。

6. 小尺寸封装

提供1.84mm x 1.03mm的8凸点晶圆级封装（WLP）和2.5mm x 2.0mm的8引脚倒装芯片QFN封装（FC2QFN），适合对空间要求较高的应用。

三、工作模式与原理

1. 启动过程

当EN引脚变为高电平且输入电压 (V{IN}) 大于输入欠压锁定上升阈值 (V{UVLO_R}) 时，IC启动偏置电路，然后依次读取两个SEL引脚的电阻值。通常在EN信号上升沿后1.6ms开始软启动过程，软启动期间输出电压以2V/ms的斜率上升，开关电流限制为设定值的50%，当输出电压达到目标值时，软启动完成，开关电流限制恢复到正常水平。

2. 动态电压缩放（DVS）

通过SEL2引脚可以实现动态电压缩放功能，在软启动完成后，SEL2引脚变为逻辑输入引脚。当SEL2引脚拉高时，输出电压从OUT1切换到OUT2；当SEL2引脚拉低时，输出电压从OUT2切换到OUT1。需要注意的是，DVS功能只能将输出电压升高，当从较高电压切换到较低电压时，IC停止开关，等待输出电压因负载或泄漏达到较低目标值后再重新开始工作。

3. Buck-Boost控制方案

采用自适应导通时间电流模式控制，利用H桥拓扑通过单个电感器和输出电容器调节输出电压。H桥拓扑有三个开关阶段，根据输入电压和输出电压的关系，在不同阶段进行能量存储和释放，以实现电压的调节。

4. 低功耗模式

当负载电流非常低时，MAX77837自动进入低功耗模式（LPM），此时误差放大器和其他内部模块停用，以降低功耗。通过低功率电压比较器监测输出电压，当输出电压达到目标值的103%时，IC产生预定长度的导通时间。

5. 跳过模式和CCM模式

当负载足够高且开关频率高于典型值58kHz时，IC退出低功耗模式进入跳过模式。在跳过模式下，当输出电压比目标值高1%时，触发预定长度的导通时间。当输出负载电流更高，电感电流没有过零时，IC进入CCM模式，采用自适应导通时间控制调节输出电压。

四、保护机制

1. 热关断

当结温超过典型值165°C时，热保护触发，Buck-Boost转换器输出禁用，直到结温降至典型值145°C以下，IC重新启动。

2. 欠压锁定

当输入电压 (V{IN}) 低于典型值1.7V时，Buck-Boost调节器禁用，所有寄存器复位，同时启用有源放电功能。只有当 (V{IN}) 上升到典型值1.75V以上时，IC才准备重新启动。

3. 开关电流限制

提供逐周期开关电流限制，通过RSEL2可以设置400mA（下限）和1050mA（上限）两种开关电流限制。在软启动后，如果设置为自动重启模式，当检测到开关电流达到限制值2ms时，输出禁用14ms后重新启动；如果设置为锁存关闭模式，连续检测到开关电流达到限制值4ms后，IC锁存关闭，需要切换EN引脚或重新上电才能恢复。

4. 有源放电

当EN引脚设置为低电平或 (V{IN}{UVLO_F}) 时，MAX77837停止开关，并打开一个100Ω的内部开关，将输出电容器中存储的能量放电到地。

五、应用信息

1. 电感选择

选择饱和电流额定值（ISAT）大于或等于最大高侧开关电流限制阈值（ (I_{LIM}) ）的电感器。一般来说，饱和电流较低、直流电阻（DCR）较高的电感器物理尺寸较小，但较高的DCR会降低转换器效率。同时，要根据预期负载电流选择电感器的均方根电流额定值（IRMS）。推荐在转换器的整个工作范围内使用2.2μH的电感器。

2. 输入电容选择

对于大多数应用，使用10V、10μF的标称陶瓷输入电容器（ (C{IN}) ）旁路IN引脚，确保在工作电压下有效电容为3.75μF或更高。 (C{IN}) 可以减少从输入电源汲取的电流峰值，降低系统中的开关噪声。选择时要特别注意电容器的电压额定值、初始容差、温度变化和直流偏置特性，推荐使用X7R电介质的陶瓷电容器。

3. 输出电容选择

为了保证转换器的稳定运行，需要足够的输出电容（ (C{OUT}) ），有效 (C{OUT}) 至少为2.2μF。较大的 (C_{OUT}) 可以改善负载瞬态性能，但会增加软启动和输出电压变化期间的输入浪涌电流。输出滤波电容器的等效串联电阻（ESR）要足够低，以满足输出纹波和负载瞬态要求。同样，推荐使用X7R电介质的陶瓷电容器。

4. 其他组件选择

SEL引脚（SEL1和SEL2）与地之间的电阻公差应为±1%，以确保内部ADC能够准确读取电阻值。

5. PCB布局指南

PCB布局对于实现低开关功率损耗和稳定运行至关重要。输入电容器（ (C{IN}) ）和输出电容器（ (C{OUT}) ）应分别紧邻IC的IN引脚和OUT引脚放置，以最小化输入和输出电流环路中的寄生电感。电感器应尽可能靠近LX凸点放置，LX迹线应短而宽，并在多层上布线以降低迹线阻抗。内部GND凸点应通过过孔连接到PCB上的低阻抗接地平面，避免形成GND孤岛。功率迹线和负载连接应短而宽，以提高转换器效率。

六、总结

MAX77837以其宽输入输出电压范围、高效率、低功耗、灵活的配置和多种保护功能，成为可穿戴和物联网应用中电源管理的理想选择。在实际设计中，合理选择外部组件和优化PCB布局，可以充分发挥该芯片的性能，为系统提供稳定可靠的电源供应。你在使用类似的Buck-Boost转换器时，是否也遇到过一些挑战呢？欢迎在评论区分享你的经验和见解。