深入剖析Microchip MTCH650/2：可编程电压升压芯片的卓越之选

在电子工程师的日常工作里，为各类应用挑选合适的芯片一直都是至关重要的任务。今天咱们就来详细探讨一下Microchip公司的MTCH650和MTCH652这两款可编程电压升压芯片，看看它们究竟有哪些独特之处。

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芯片特性总览

MTCH650和MTCH652都具备1.8V至5.5V较宽的输入电压范围，且静态电流小于200μA，关机电流低至1.5μA，这使得它们在低功耗应用场景中表现出色。不过，二者也存在一些差异。MTCH650拥有21路高压I/O线，每路输出可提供5mA电流，最大输出电流能达到100mA，还支持3.6至18V的外部VPPIN电压范围；而MTCH652则有19路高压I/O线，内置升压电路、内部开关和放电电路，在VIN = 3.6V和VOUT = 12V的条件下，最大输出电流可达50mA。它的升压电路由外部PWM驱动，输出电压可选6V、8V、10V、12V、14V、16V和18V，还具备可选择的限流和软启动功能。

引脚功能解析

两款芯片的引脚配置较为相似，都采用28引脚封装，包括SOIC、SSOP和UQFN（4x4）三种类型。关键引脚功能如下：

• VDD：输入电压引脚，需要用最小1μF的电容进行去耦接地。它是芯片的能量入口，稳定的输入电压对芯片正常工作起着关键作用，工程师在设计时要特别注意去耦电容的选择和布局。
• VPP/VPPIN：MTCH650的VPPIN为升压电压输入，MTCH652的VPP为升压电压输出，同样需要用1μF电容去耦接地。这两个引脚与芯片的升压功能紧密相关，电容的参数选取直接影响到升压的稳定性和效率。
• OE：输出使能输入，逻辑为‘0’时所有输出锁存器接地，为‘1’时设置为驱动‘1’的输出锁存器输出升压电压，在关机或软启动瞬态时，OE状态被忽略，所有输出为高阻态。它就像是一个开关，控制着输出的通断，在实际应用中合理使用OE引脚可以有效管理功耗。
• LE：锁存使能输入，低电平有效，用于锁存串行数据。当它从低电平变为高电平时，数据会被内部锁存。这一机制确保了数据的准确传输和存储，对于可靠的系统运行至关重要。
• DIN和CLK：分别为串行数据输入和时钟输入，用于配置芯片。就像两条信息传输的通道，通过它们可以将用户的配置信息准确无误地传递给芯片。
• OUTxx：高压输出引脚，为外部设备提供高压驱动。输出的稳定性和驱动能力直接影响到外部设备的性能，所以在设计时要充分考虑负载的需求。

工作原理与配置

上电复位（POR）

芯片内部的POR电路会使芯片处于复位状态，直到VDD达到VPOR。POR不可配置，当POR激活时，所有锁存器清零；当VDD低于VPOR时，内部移位寄存器复位为全‘0’。这一机制保证了芯片在启动时处于可预测的初始状态，为后续的正常工作奠定基础。

串行接口

通过串行接口可在芯片工作时进行配置，时钟和串行数据流用于配置一个3字节宽的移位寄存器，之后使用LE输入锁存所需数据。

• 加载数据：移位寄存器从右向左移位，数据需按MSB优先、LSB最后的顺序输入。数据字用于选择要通过OE循环的HV输出，配置字用于设置关机状态、升压电压、电流限制等选项。在实际操作中，要确保数据的输入顺序正确，否则可能导致芯片配置错误。
• 配置字：将数据流的LSB设置为‘0’可选择配置字，在用户模式下，使用MTCH652时可选择升压电路的输出电压和电流限制。这一功能为用户提供了灵活调整芯片性能的手段，以适应不同的应用需求。
• 数据字：由三个字节的数据组成，用于设置MTCH650的21个输出引脚或MTCH652的19个输出引脚的高低电平。数据字的设置直接决定了输出引脚的状态，从而影响到与芯片相连的外部设备的工作情况。

电压升压接口（MTCH652）

MTCH652内置电压升压电路，通过调制输入信号结合外部电感和电容从VDD生成可选的高压。

• 输入：OSCIN为调制输入信号，通常来自PWM，占空比范围一般为60%至90%；VOUT<2:0>为3位输出电压选择设置；ILIM<1:0>为2位电流限制设置；VPPIN为MTCH650的HV输入。这些输入参数的合理设置对于升压电路的性能至关重要，工程师需要根据具体的应用场景进行精确调整。
• 输出：VPP为升压电路的HV输出，LC为升压电路的外部电感和电容连接。输出的稳定性和电压值直接影响到外部设备的正常工作，所以要确保输出参数符合设计要求。
• 软启动：升压电路具备自动软启动功能，可防止高初始浪涌电流拉低电源，导致系统欠压。在启用升压电路后的最初16384个OSCIN周期（1MHz OSCIN频率下约16ms）内，电流限制在约200mA，软启动超时后，电流限制恢复到ILIM<1:0>设置的值。软启动功能可以有效保护电源和其他电路元件，提高系统的可靠性。
• VPP放电：当VOUT<2:0>的值更改为较低电压且电路处于活动状态时，VPP放电晶体管启用，直到达到新的较低VOUT值。这一功能可以快速调整输出电压，提高系统的响应速度。

应用设计要点

元件选择

• 输入电容：使用输入旁路电容可减少从输入电源汲取的峰值电流瞬变和升压产生的开关噪声，通常选用1μF至10μF的陶瓷低ESR X5R或X7R电容。在对高频噪声极为敏感的应用中，可将较小、带宽较高的电容与标准推荐值并联；在使用远低于1MHz开关频率或峰值电感电流大于1A的情况下，也可将更大容量的电容与标准值并联。合适的输入电容可以提高电源的稳定性，减少噪声干扰。
• 输出电容：输出电容有助于在突然的负载瞬变期间提供稳定的输出电压并减少输出电压纹波，同样推荐使用X5R和X7R陶瓷电容，典型值为1μF至10μF。不过要注意，增加电容值会增加升压电压切换时的上升和下降时间。
• 电感：MTCH652可搭配小型表面贴装电感，典型电感值为1μH至10μH，初始评估推荐使用2.2μH的电感。选择电感时需要考虑最大额定电流、饱和电流和铜电阻（ESR）等参数，较低的ESR值可提高转换器的效率，但这通常需要在元件尺寸和效率之间进行权衡。合理的电感选择可以提高升压电路的效率和稳定性。

PCB布局

在进行PCB布局时，要注意采用合理的布线技术。高电流路径应使用短而宽的走线，输入和输出电容要尽可能靠近MTCH652以减小环路面积。HV输出应远离开关节点和开关电流环路，必要时使用接地平面和走线来屏蔽反馈信号，减少噪声和磁干扰。当MTCH650/2与敏感信号线一起使用时，HV输出应进行屏蔽或远离这些信号线。良好的PCB布局可以提高系统的抗干扰能力和稳定性。

应用实例

MTCH650/2使用起来非常简便，只需配置配置字和数据字即可。以PIC®微控制器和MTCH652的典型应用为例：

• 连接：需要从主机侧连接PWM（仅MTCH652）、OE、LE、SDO（串行数据输出）和SCLK（串行数据时钟输出）引脚，这些引脚可以来自标准MSSP模块或通过位操作实现。正确的连接方式是确保芯片正常工作的前提，工程师在连接时要仔细核对引脚定义。
• 初始化：首先将主机用于OE和LE功能的I/O端口配置为输出，将OE设置为低电平，LE设置为高电平；然后将主机SPI端口配置为1MHz或等效的位操作功能；主机发送命令将MTCH650/2的配置字设置为默认值；对于MTCH652，还需要配置主机PWM以在正确的I/O引脚输出，建议PWM初始频率为500kHz，占空比为70%，后续可根据需要调整参数以优化效率和纹波。
• SPI操作：遵循PIC MCU MSSP SPI默认设置，先使LE无效，主机在CLK为低电平时改变DIN状态，MTCH650/2在CLK的低到高转换时锁存数据，时钟同步所有串行数据后使LE有效，将新数据锁存到MTCH650/2内部寄存器。
• 升压电压设置：通过配置字中的VOUT<2:0>设置升压电压，升压电压变化的上升和下降时间取决于ILIM、电容和VPP，用户在更改升压电压时要确保新的VPP电压稳定到正确值。
• 低功耗模式：要实现低功耗或关机模式，可将VOUT<2:0>设置为000，并关闭PWM。
• HV电平转换器和OE控制：通过数据字中的OUTSEL<20:0>位控制HV电平转换器，只有在OUTSEL中设置的位在OE有效时才会在HV电平转换器上设置升压电压，其他位保持在VSS的非激活状态；OE无效时，所有HV电平转换器保持在VSS。需要注意的是，MTCH652的电流驱动能力有限，同时驱动所有HV电平转换器可能会导致升压电压意外下降，此时可降低升压电压或使用带有外部高压电源的MTCH650。

电气特性与包装信息

电气特性

芯片的电气特性涵盖绝对最大额定值、标准工作条件、DC特性、模拟和AC特性以及热特性等方面。在实际应用中，必须确保芯片的工作条件在这些特性规定的范围内，以保证芯片的性能和可靠性。例如，要注意环境温度、电压范围、电流限制等参数，避免超出芯片的承受能力。

包装信息

芯片提供28引脚的SOIC、SSOP和UQFN（4x4）封装，每种封装都有相应的标记信息和详细的尺寸规格。在进行产品设计时，要根据实际需求选择合适的封装形式，并参考相关的封装图纸进行PCB设计。

总的来说，Microchip的MTCH650和MTCH652芯片凭借其丰富的功能、低功耗特性和灵活的配置选项，在高压驱动应用中具有很大的优势。电子工程师在设计相关电路时，可以充分利用它们的特点，但也要注意在元件选择、PCB布局和芯片配置等方面遵循相应的规则和建议，以确保系统的稳定性和可靠性。大家在使用这两款芯片的过程中，有没有遇到什么特别的问题或者独特的应用经验呢？欢迎在评论区分享交流。