深入解析LED7706：LCD面板背光驅(qū)動的理想之選

引言

在LCD面板背光驅(qū)動領域，LED7706以其卓越的性能和豐富的功能脫穎而出。它專為LCD面板背光設計，集成了高效的升壓轉(zhuǎn)換器和六個可控電流發(fā)生器，能夠為LED陣列提供穩(wěn)定可靠的驅(qū)動。本文將深入剖析LED7706的特性、工作原理、應用信息等方面，為電子工程師們在設計相關產(chǎn)品時提供全面的參考。

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一、LED7706概述

1.1 產(chǎn)品特性

LED7706具有眾多出色的特性，使其在LCD面板背光驅(qū)動市場中占據(jù)一席之地。

• 升壓部分：輸入電壓范圍為4.5V至36V，內(nèi)部集成功率MOSFET和+5V LDO為設備供電，輸出電壓最高可達36V。采用恒定頻率峰值電流模式控制，開關頻率可在250kHz至1MHz之間調(diào)節(jié)，還支持外部同步，適用于多設備應用。具備脈沖跳過節(jié)能模式、可編程軟啟動和過壓保護功能，使用陶瓷輸出電容時穩(wěn)定可靠，并有熱關斷保護。
• 背光驅(qū)動部分：擁有六個行，最大電流能力為30mA且可調(diào)節(jié)，支持行禁用選項。最小調(diào)光導通時間小于500ns，在20kHz時最小調(diào)光占空比可達1%，行與行之間的電流匹配精度在±2%以內(nèi)，還能檢測LED故障（開路和短路）。

1.2 應用領域

LED7706廣泛應用于LCD顯示器和電視面板、PDA面板背光以及GPS面板背光等領域，為這些設備的背光提供了優(yōu)質(zhì)的解決方案。

二、電氣數(shù)據(jù)與特性

2.1 最大額定值

了解LED7706的最大額定值對于正確使用和保護設備至關重要。其各引腳的電壓、電流等參數(shù)都有明確的限制，例如AVCC至SGND的電壓范圍為 -0.3V至6V，內(nèi)部開關最大RMS電流為2.0A，功率耗散在TA = 25°C時為2.3W等。超過這些絕對最大額定值可能會對設備造成永久性損壞，影響其可靠性。

2.2 熱數(shù)據(jù)

熱數(shù)據(jù)方面，LED7706的熱阻結(jié)到環(huán)境為42°C/W，存儲溫度范圍為 -50°C至150°C，結(jié)工作溫度范圍為 -40°C至150°C。在設計應用時，需要考慮這些熱數(shù)據(jù)，以確保設備在合適的溫度環(huán)境下正常工作。

2.3 電氣特性

電氣特性涵蓋了多個方面，包括輸入電壓范圍、升壓部分輸出電壓、LDO輸出和IC供電電壓、工作靜態(tài)電流、開關頻率等。例如，輸入電壓范圍為4.5V至36V，默認開關頻率在FSW連接到AVCC時為570kHz至750kHz等。這些特性為工程師在設計電路時提供了具體的參數(shù)依據(jù)。

三、工作原理

3.1 升壓部分

3.1.1 功能描述

升壓部分基于恒定開關頻率、峰值電流模式架構(gòu)。輸入電壓范圍為4.5V至36V，內(nèi)部LDO為設備內(nèi)部電路供電，最大可提供40mA電流。升壓輸出電壓通過控制，使最低行的電壓（相對于SGND）等于內(nèi)部參考電壓（典型值為400mV）。通過主環(huán)路和內(nèi)部電流環(huán)路共同調(diào)節(jié)電流，主環(huán)路采用恒定頻率峰值電流模式架構(gòu)調(diào)節(jié)為LED供電的電源軌，內(nèi)部電流環(huán)路根據(jù)設定值（RILIM引腳）調(diào)節(jié)每行的電流。

3.1.2 啟用功能

通過EN引腳啟用LED7706，該引腳為高電平有效。當連接到SGND時，設備關閉，此時功耗僅為20μA。在某些應用中，可將EN引腳連接到DIM引腳，利用調(diào)光信號來控制設備的開關。

3.1.3 軟啟動

軟啟動功能對于系統(tǒng)的正確啟動至關重要，它可以控制為輸出電容充電所需的浪涌電流，避免輸出電壓過沖。通過在SS引腳和地之間連接外部電容來設置軟啟動持續(xù)時間，電容以5μA（典型值）的恒定電流充電，當SS引腳電壓從0上升到近1.2V時，功率MOSFET的電流限制從0逐步釋放到最終值。在軟啟動開始階段，開關頻率降低到標稱值的一半，當SS引腳電壓超過0.8V時恢復標稱開關頻率。

3.1.4 過壓保護

提供可調(diào)的過壓保護功能，通過將輸出電壓的分壓提供給OVSEL引腳來設置過壓閾值。當OVSEL引腳電壓超過OV閾值時，F(xiàn)AULT引腳拉低，設備關閉，此狀態(tài)被鎖存，需通過切換EN引腳或執(zhí)行上電復位來重啟設備。在選擇分壓電阻時，應盡量選擇高阻值（但低于1MΩ）的上拉電阻，以減少升壓轉(zhuǎn)換器關閉時輸出電容的放電。

3.1.5 開關頻率選擇和同步

開關頻率可通過將FSW引腳通過電阻連接到地在250kHz至1MHz范圍內(nèi)設置，計算公式為RFSW = FSW / 2.5，且電阻值應在100kΩ至400kΩ范圍內(nèi)。當FSW引腳連接到AVCC時，采用默認的660kHz固定開關頻率。FSW引腳還可作為同步輸入，使LED7706可作為主設備或從設備工作，外部時鐘信號頻率需大于210kHz，信號需超過270mV閾值才能被識別，最小脈沖寬度為270ns。SYNC引腳為同步輸出，作為主設備時提供35%（典型值）占空比的時鐘，作為從設備時為FSW引腳的復制品。

3.1.6 斜率補償

恒定頻率、峰值電流模式拓撲在占空比大于0.5時存在固有開環(huán)不穩(wěn)定性，即“次諧波不穩(wěn)定”。通過在SLOPE引腳和輸出之間連接簡單電阻RSLOPE進行斜率補償，可避免這種不穩(wěn)定現(xiàn)象。補償斜坡在每個開關周期的35%（典型值）開始，其斜率計算公式為SE = KS((VOUT - VIN - VBE) / RSLOPE)，其中KS = 5.8×101? s?1，VBE = 2V（典型值）。為避免次諧波不穩(wěn)定，補償斜率應至少為占空比大于50%時電感電流在關斷階段斜率的一半，RSLOPE的計算式為RSLOPE ≤ 2×KS×L×(VOUT - VIN - VBE) / (VOUT - VIN)。

3.1.7 升壓電流限制

通過在BILIM引腳和地之間連接簡單電阻設置升壓電流限制，BILIM引腳電壓內(nèi)部固定為1.23V，電流限制與設置電阻中的電流成正比，計算公式為IBOOST,PEAK = KB / RBILIM，其中KB = 6×10? V。最大允許電流限制為5A，對應最小設置電阻RBILIM > 120kΩ，功率開關中最大保證RMS電流為2A。電流限制通過按比例鉗位COMP引腳電壓來實現(xiàn)，電感峰值電流限制為上述閾值減去斜率補償貢獻。

3.1.8 熱保護

為避免因結(jié)溫過高損壞設備，采用熱關斷保護。當結(jié)溫超過150°C（典型值）時，設備關閉控制邏輯和升壓轉(zhuǎn)換器，F(xiàn)AULT引腳拉低，LDO保持工作，結(jié)溫降低30°C后自動恢復正常工作。

3.2 背光驅(qū)動部分

3.2.1 電流發(fā)生器

LED7706有六個通道（行），每行可驅(qū)動多個串聯(lián)的LED（最大36V），最大電流可達30mA。通過在RILIM引腳和地之間連接外部電阻RRILIM設置LED電流，RILIM引腳電壓內(nèi)部設置為1.23V，行電流計算公式為IROWx = KR / RRILIM，其中KR = 987V。行與行之間的最大電流失配在Irowx = 20mA時為±2%。

3.2.2 PWM調(diào)光

通過對行電流進行脈沖寬度調(diào)制實現(xiàn)LED亮度控制。當PWM信號施加到DIM引腳時，電流發(fā)生器根據(jù)DIM引腳狀態(tài)開關。最小調(diào)光占空比取決于調(diào)光頻率，計算公式為DDIM min = 500ns×fDIM，例如在20kHz調(diào)光頻率下，可實現(xiàn)1%的調(diào)光占空比。PWM信號關斷階段，升壓轉(zhuǎn)換器暫停，電流發(fā)生器關閉，由于輸出電容放電相對緩慢，輸出電壓可視為幾乎恒定。在啟動序列中，調(diào)光占空比強制為100%，以檢測浮動行。

3.3 故障管理

3.3.1 FAULT引腳

FAULT引腳為開集電極輸出，電流能力為4mA，低電平有效，用于提供檢測到的故障信息，可驅(qū)動狀態(tài)LED或警告主機系統(tǒng)，其狀態(tài)與MODE引腳設置密切相關。

3.3.2 MODE引腳

3.3.3 開路LED故障

當一行未連接或LED開路時，根據(jù)MODE引腳狀態(tài)有不同行為。MODE引腳連接到SGND時，檢測到開路行后FAULT引腳拉低，設備關閉，需通過切換EN引腳或執(zhí)行上電復位恢復正常工作。MODE引腳連接到AVCC時，開路行從控制環(huán)路中排除，設備繼續(xù)使用其余行正常工作，F(xiàn)AULT引腳不受影響。

3.3.4 短路LED故障

當LED短路時，相關電流發(fā)生器兩端電壓增加，等于故障LED的缺失壓降。設備通過將每個有源發(fā)生器的反饋電壓與故障閾值VTH,FAULT比較來檢測故障，并根據(jù)MODE引腳狀態(tài)采取相應措施。MODE引腳為低電平時，故障閾值為3.4V，超過該閾值時FAULT引腳拉低，設備關閉；MODE引腳連接到AVCC時，故障閾值為6V，LED7706斷開電壓高于閾值的行，F(xiàn)AULT引腳拉低。

四、應用信息

4.1 系統(tǒng)穩(wěn)定性

4.1.1 環(huán)路補償

升壓部分為固定頻率、電流模式轉(zhuǎn)換器，正常工作時，最小電壓選擇電路比較所有有源電流發(fā)生器的電壓降，將最小值提供給誤差放大器，誤差放大器輸出電壓決定電感峰值電流，使反相輸入等于參考電壓（典型值為400mV）。補償網(wǎng)絡由COMP引腳和地之間的簡單RC串聯(lián)（RCOMP - CCOMP）組成，計算RCOMP和CCOMP對于實現(xiàn)升壓轉(zhuǎn)換器的最佳環(huán)路穩(wěn)定性和動態(tài)性能至關重要，且與工作條件密切相關。

• 首先確定開關頻率，較高的開關頻率可減小電感尺寸，提高轉(zhuǎn)換器動態(tài)響應帶寬，但會增加開關損耗。對于大多數(shù)應用，660kHz的固定值是功耗和動態(tài)響應之間的良好折衷，還可節(jié)省外部電阻。
• 為避免DC - DC轉(zhuǎn)換器環(huán)路與電流發(fā)生器環(huán)路相互作用導致不穩(wěn)定，升壓帶寬不應超過電流發(fā)生器帶寬，單位增益頻率（fU）在30 - 40kHz范圍內(nèi)可接受，同時需注意不超過CCM模式右半平面零點（RHPZ）。計算公式為fU ≤ 0.2×FSW和fU ≤ 0.2×(M2R / (2π×L))，其中M = VIN,min / VOUT，R = VOUT / IOUT。
• 輸出電容選擇應考慮輸出電壓紋波，計算公式為COUT > ((IL,peak - IOUT)×TOFF) / (2×ΔVOUT,max)，其中ΔVOUT,max為最大可接受輸出電壓紋波，IL,peak為電感峰值電流，TOFF為開關周期的關斷時間。
• 確定輸出電容后，計算RCOMP = (2π×fU×C) / (GM×gEA×M)，其中GM = 2.7S，gEA = 375μS。然后確定CCOMP，使補償零點頻率為環(huán)路帶寬的五分之一，即CCOMP = 1 / (2π×fZ×RCOMP)，其中fZ = fU / 5。在大多數(shù)應用中，實驗方法也很有效，可選擇CCOMP = 4.7nF，用10kΩ微調(diào)電阻代替RCOMP，調(diào)整其值以適當阻尼輸出瞬態(tài)響應。

4.2 熱考慮

為防止設備超過熱關斷閾值（150°C），需通過公式TJ = TAmb + Rth,JA×PD,tot估算結(jié)溫，其中TA為環(huán)境溫度，Rth,JA為結(jié)到環(huán)境的等效熱阻（在應用演示板上測量為42°C/W），PD,tot為設備耗散的功率。PD,tot有多個貢獻因素：

• 內(nèi)部功率開關的傳導損耗：PD,cond = RDSon×IIN2×D×DDIM，其中D = 1 - (VIN / VOUT)，DDIM為PWM調(diào)光信號的占空比。
• 功率MOSFET開關損耗：PD,sw = VOUT×IIN×fsw×((tr + tf) / 2)×DDIM，其中tr和tf分別為功率MOSFET的上升時間和下降時間。
• 電流發(fā)生器損耗：主電流發(fā)生器損耗PGEN,Master = IROW×VIFB×DDIM，其他電流發(fā)生器損耗PGEN = IROW×(nROWs - 1)×(VIFB + ΔVf,LEDs×nLEDs)×DDIM，其中nROWs為有源行數(shù)，ΔVf,LEDs為LED正向電壓的擴展，nLEDs為每行的LED數(shù)量。
• LDO損耗：PD,LDO = (VIN - VLDO)×ILDO。

4.3 組件選擇

4.3.1 電感選擇

電感選擇需考慮傳導損耗（DCR）、磁芯損耗（鐵氧體或鐵粉）、飽和電流和磁通量屏蔽（磁芯形狀和技術）等參數(shù)。LED7706開關頻率可在200kHz至1MHz范圍內(nèi)設置，低開關頻率導致高電感值，會增加DCR和尺寸；高開關頻率會增加磁芯損耗。建議電感值范圍為4.7 - 22μH，對于660kHz開關頻率的應用，6.8μH電感是合適選擇，推薦的電感型號有Coilcraft的LPS6235 - 682MLC和Wurth的7440650068。

4.3.2 電容器選擇

輸入和輸出電容應選用低ESR的陶瓷電容，以最小化紋波電壓。升壓轉(zhuǎn)換器設計支持陶瓷電容，所需電容值取決于編程的LED電流和最小調(diào)光頻率。考慮最壞情況（200Hz調(diào)光頻率和30mA/通道），兩個2.2μF MLCC適用于大多數(shù)應用。選擇輸出電容時需注意額定電壓和介電類型，50V額定MLCC在偏置時可能出現(xiàn)顯著電容下降，尤其是Y5V介電類型。輸入電容雖不太關鍵，但可減少電源軌上的開關噪聲，對內(nèi)部LDO也很重要，應盡量靠近芯片，推薦使用10μF X5R MLCC，如Taiyo Yuden的UMK325BJ106KM - T和Murata的GRM31CR71H225KA88B、GRM31CR71H475KA88B。

4.3.3 續(xù)流二極管選擇

續(xù)流二極管應選用肖特基類型以最小化損耗，該組件承受的平均電流等于輸出電流，需承受最大輸出軌電壓?？紤]所有通道每個通道吸收30mA（即180mA輸出電流）和最大輸出電壓（36V），STP1L40M（If,ave = 1A，Vr = 40V）二極管是不錯選擇，對于輸出電壓和/或輸出電流較低的應用，可使用較小的二極管。

4.4 設計示例

以15” LCD面板的LED背光應用為例，介紹設計步驟：

• 開關頻率設置：為減少外部組件數(shù)量，將FSW引腳連接到AVCC引腳，選擇默認開關頻率（典型值為660kHz）。若需要不同開關頻率，可根據(jù)公式RFSW = FSW / 2.5連接FSW引腳和地之間的電阻。
• 行電流設置：根據(jù)公式RRILIM = KR / IROW計算RILIM電阻，已知KR = 987V，IROW = 20mA，計算得RRILIM = 49.35kΩ，選擇最接近的標準商業(yè)值51kΩ，實際行電流略低（19.3mA）。
• 電感選擇：升壓部分根據(jù)負載電流、輸入和輸出電壓等參數(shù)可工作在CCM（連續(xù)導通模式）或D