剖析MAX20310：可穿戴应用的低功耗PMIC解决方案

在可穿戴设备市场蓬勃发展的今天，对电源管理集成电路（PMIC）的要求也越来越高。既要满足空间受限的设计需求，又要保证高效、低功耗的性能。ADI公司的MAX20310就是一款专为可穿戴应用量身打造的PMIC，下面我们就来深入了解一下这款产品。

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产品概述

MAX20310是一款紧凑型PMIC，适用于对尺寸和效率要求极高的电池供电应用。它集成了两个单电感多输出（SIMO）降压 - 升压输出、两个LDO以及其他系统电源管理功能，如按钮监控和顺序控制器。该器件采用16凸点、0.4mm间距、1.63mm x 1.63mm晶圆级封装（WLP），工作温度范围为 - 40°C至 + 85°C。

关键特性与优势

延长系统电池使用时间

• SIMO超低IQ降压 - 升压调节器：采用单电感多输出架构，电池输入电压范围为0.7V至2.0V，输出电压可在0.9V至4.05V之间编程，最大总输入功率为250mW。每个通道的增量电容静态电流仅为1μA，在1.8V、10mA输出时效率可达84%，同时具备输入电流限制功能。
• 双超低IQ 50mA LDO：由双降压 - 升压输出供电，输出电压可在0.5V至3.65V之间编程，每个LDO的静态电流为1.1μA，每个负载开关的静态电流为600nA，还可配置为负载开关。

延长产品货架寿命

具备电池密封模式，典型电池电流仅为10nA，可有效降低电池在储存期间的损耗。

最小化电路板面积

采用1.63mm x 1.63mm的WLP封装，大大节省了电路板空间，非常适合对尺寸要求严格的可穿戴设备。

易于实现的系统控制

• 电压监控多路复用器：具有1%精度的电池逆变器（在1.0V时±10mV），可方便地监控各个功能的电源输入和输出。
• 电源按钮监控：提供缓冲输出，可实现对电源按钮的有效监控。
• 电源排序：可对电压调节器的上电顺序进行配置，确保系统稳定启动。
• 复位输出：提供复位信号，保证系统在异常情况下能够正常复位。
• I²C控制接口：通过I²C接口与主机微控制器进行通信，方便进行配置和状态监控。

电气特性

在电气特性方面，MAX20310表现出色。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的条件下，各项参数均满足设计要求。例如，在密封模式下，所有功能禁用时，密封输入电流仅为0.01 - 0.2μA；降压 - 升压调节器的输入电压范围为0.7 - 2V，启动电压为0.8 - 2V，输出电压范围为0.9 - 4.05V，静态电源电流在突发模式下、无开关动作且(V_{BB_OUT} = + 1.8V)时为1μA等。

功能模块详解

电源调节

• 开关调节器：采用反相降压 - 升压拓扑结构，以电池正极为地，将电池配置为负电源，开关调节器输出为正。该调节器工作电压范围为 - 2.0V至 - 0.7V，但启动时需要 - 0.8V。输出电压可按50mV增量独立配置。
• LDO：为需要低噪声电源或额外稳压电压的应用提供支持。每个LDO在正常工作时可提供高达50mA的电流，其输入由降压 - 升压输出提供。LDO可作为开关使用，断开外围系统的静态负载，从而延长电池寿命。LDO输出电压可在0.5至3.65V之间按50mV增量配置。

电压监控多路复用器

除了四个调节器输出外，MAX20310还集成了一个电压监控多路复用器。通过I²C控制的多路复用器，可将MON引脚连接到任何一个调节器输出或BATN，方便进行ADC测量。同时，通过反相放大器缓冲BATN通道，可使正单端ADC测量电压。

多功能控制输入

MPC引脚可根据降压 - 升压和LDO配置及序列寄存器设置控制器件内部的各种功能。对于至少有一个BBst_Seq[2:0]或LDO_Seq[2:0]字段在工厂设置为101（由MPC启用，低电平有效）或110（由MPC启用，高电平有效）的器件，MPC引脚可配置为控制多功能输出（MPO）引脚，实现电平转换到电池电压。

多功能输出

MPO引脚可配置为下拉到BATN、上拉到GND、上拉/下拉（推挽）或禁用（无拉）。对于至少有一个BBst_Seq[2:0]或LDO_Seq[2:0]字段在工厂设置为101或110的器件，MPOCfg寄存器允许通过I²C命令或MPC引脚控制MPO引脚的状态；对于没有这些字段设置的器件，MPO输出只能通过I²C命令控制。

电源开/关和复位控制

MAX20310具有关机模式，可最小化电池消耗。在关机模式下，所有输出禁用，器件等待KIN输入激活以唤醒。KIN输入内部上拉到GND，短接到BATN可唤醒器件。KIN状态的开漏缓冲副本可在KOUT获得，方便系统监控按钮状态。上电时，每个功能可由顺序控制器自动启用，也可保持关闭直到I²C命令启用，具体行为由工厂设置决定。同时，该器件还具备按钮监控功能，可根据按钮长按或短按产生不同动作。

反向电池保护

对于一些使用无机械反向安装保护电池的应用，可通过一个外部nMOSFET和电阻实现反向电池保护。在正常操作时，100Ω电阻在启动时减缓(C_{IN})的充电，直到(VCAP) VBATN超过外部MOSFET的阈值，之后电路正常工作；在电池反向时，100Ω电阻限制电池电流，保护下游系统。

电源排序

电压调节器的上电顺序可配置，调节器可在上电过程的四个点之一开启：上电事件后100ms、RST信号释放后，或在这两个点之间的两个固定比例点。复位延迟的总时间可通过PwrCfg寄存器配置。此外，调节器在复位释放后可由顺序器、输入引脚或I²C命令控制。需要注意的是，LDO在相关开关输出启用后才会开启。

I²C接口

MAX20310通过两线I²C接口与主机微控制器通信，配置设置和状态信息可通过该接口获取。写操作的从地址为0x50，读操作的从地址为0x51。在I²C通信中，涉及到起始、停止和重复起始条件，以及单字节写、突发写、单字节读和突发读等操作，同时还需要注意确认位（ACK和NACK）的使用。

应用信息

始终开启的设备

由于其低功耗特性，MAX20310非常适合始终开启的应用。对于这类应用，应选择(PwrCfgMd[1:0] = 00)的版本，并将KIN输入连接到BATN。这样，当插入新电池或移除产品货架期使用的电池标签时，KIN被拉到BATN，设备开启。

额外的电压调节器

在使用额外电压调节器直接从电池供电的应用中，需要仔细考虑电池和系统电源域。由于MAX20310采用负电池实现，系统电源域的公共节点（GND）连接到电池正极。使用电池作为正电源的调节器应将BATN作为本地地，GND作为输入电源，但输出必须始终参考电池正极（GND），这可能导致调节器输出电压随电池放电而变化。

总结

MAX20310以其出色的低功耗性能、紧凑的封装和丰富的功能，为可穿戴设备的电源管理提供了一个优秀的解决方案。无论是延长电池使用时间、节省电路板空间，还是实现灵活的系统控制，MAX20310都表现得十分出色。对于电子工程师来说，在设计可穿戴设备时，MAX20310无疑是一个值得考虑的选择。你在实际应用中是否使用过类似的PMIC呢？欢迎在评论区分享你的经验和见解。