MAX20069C：汽車TFT-LCD的理想電源與背光驅(qū)動(dòng)方案

在汽車電子領(lǐng)域，TFT-LCD顯示屏的應(yīng)用越來越廣泛，從儀表盤到中央信息顯示，再到抬頭顯示和導(dǎo)航系統(tǒng)，都離不開高質(zhì)量的顯示驅(qū)動(dòng)。Analog Devices的MAX20069C就是一款專門為汽車TFT-LCD應(yīng)用設(shè)計(jì)的高度集成的TFT電源和LED背光驅(qū)動(dòng)IC，下面我們就來詳細(xì)了解一下它。

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一、器件概述

MAX20069C集成了一個(gè)升降壓轉(zhuǎn)換器、一個(gè)升壓轉(zhuǎn)換器、兩個(gè)柵極驅(qū)動(dòng)器電源，以及一個(gè)升壓/SEPIC轉(zhuǎn)換器，能夠?yàn)轱@示屏背光中的一到四個(gè)LED串供電。其源極驅(qū)動(dòng)器電源由一個(gè)同步升壓轉(zhuǎn)換器和一個(gè)反相升降壓轉(zhuǎn)換器組成，可產(chǎn)生高達(dá)+18V和低至 -7V的電壓。正源極驅(qū)動(dòng)器可提供高達(dá)120mA的電流，負(fù)源極驅(qū)動(dòng)器則能提供100mA的電流。柵極驅(qū)動(dòng)器電源由穩(wěn)壓電荷泵組成，可產(chǎn)生+28V至 -21.5V的電壓，每個(gè)電源可提供高達(dá)3mA的電流。

此外，該IC還具有一個(gè)四串LED驅(qū)動(dòng)器，可從單獨(dú)的輸入電壓（VBATT）供電，每串LED可提供最大150mA的電流。它支持邏輯控制的脈寬調(diào)制（PWM）調(diào)光，最小脈寬低至500ns，并且可以對(duì)LED串進(jìn)行相移，減少輸入和輸出紋波以及可聽噪聲。

二、關(guān)鍵特性與優(yōu)勢(shì)

（一）4輸出TFT-LCD偏置電源

• 寬輸入電壓范圍：TFT-LCD部分的輸入電壓范圍為2.8V至5.5V，適應(yīng)多種電源環(huán)境。
• 集成式轉(zhuǎn)換器：集成了440kHz或2.2MHz的升壓和升降壓轉(zhuǎn)換器，提供靈活的開關(guān)頻率選擇。
• 可調(diào)輸出電壓：正負(fù)極3mA柵極電壓調(diào)節(jié)器，輸出電壓可調(diào)。
• 靈活的排序：通過SEQ引腳實(shí)現(xiàn)靈活的電阻可編程排序。
• 欠壓檢測(cè)：所有輸出均具備欠壓檢測(cè)功能，確保系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。
• 低靜態(tài)電流待機(jī)模式：降低功耗，延長設(shè)備續(xù)航。

（二）4通道LED背光驅(qū)動(dòng)器

• 高電流輸出：每通道最大可提供150mA的電流。
• 寬輸入電壓范圍：輸入電壓范圍為4.5V至42V，適應(yīng)不同的電源配置。
• 集成式控制器：集成了440kHz或2.2MHz的升壓/SEPIC控制器。
• 高調(diào)光比：在200Hz時(shí)調(diào)光比可達(dá)10,000:1，實(shí)現(xiàn)精確的亮度控制。
• 自適應(yīng)電壓優(yōu)化：降低LED電流阱中的功耗。
• 故障診斷：具備開路、短路和接地短路診斷功能，提高系統(tǒng)可靠性。
• 低EMI：采用相移調(diào)光和擴(kuò)頻技術(shù)，降低電磁干擾。
• 可選擇開關(guān)頻率：提供靈活的開關(guān)頻率選擇，滿足不同應(yīng)用需求。

（三）其他特性

• I2C接口：用于控制和診斷，方便與微控制器等設(shè)備進(jìn)行通信。
• 故障指示：通過FLTB引腳和I2C接口進(jìn)行故障指示，及時(shí)發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)問題。
• 過載和熱保護(hù)：保護(hù)器件免受過載和過熱損壞。
• 寬溫度范圍：可在 -40°C至 +105°C的環(huán)境溫度下工作，適應(yīng)惡劣的汽車工作環(huán)境。
• 緊湊封裝：采用40引腳（6mm x 6mm）TQFN封裝，節(jié)省電路板空間。

三、詳細(xì)功能解析

（一）TFT電源部分

1. 源極驅(qū)動(dòng)器電源

源極驅(qū)動(dòng)器電源由一個(gè)帶輸出開關(guān)的升壓轉(zhuǎn)換器和一個(gè)反相升降壓轉(zhuǎn)換器組成，分別可產(chǎn)生高達(dá)+18V和低至 -7V的電壓。正源極驅(qū)動(dòng)器電源的調(diào)節(jié)電壓（VPOS）可通過FBP上的電阻分壓器或I2C接口設(shè)置，負(fù)源極驅(qū)動(dòng)器電源電壓（VNEG）會(huì)自動(dòng)緊密調(diào)節(jié)為 -VPOS，無法獨(dú)立于VPOS進(jìn)行調(diào)整。

2. 柵極驅(qū)動(dòng)器電源

正柵極驅(qū)動(dòng)器電源（DGVDD）可產(chǎn)生最大+28V的電壓，負(fù)柵極驅(qū)動(dòng)器電源（DGVEE）可產(chǎn)生最小 -21.5V的電壓，兩者均可提供高達(dá)3mA的輸出電流。DGVDD和DGVEE的調(diào)節(jié)電壓可通過外部電阻網(wǎng)絡(luò)或I2C接口獨(dú)立設(shè)置。

3. 故障保護(hù)

該IC具有強(qiáng)大的故障和過載保護(hù)功能。在獨(dú)立模式下，如果DGVEE、NEG、POS或DGVDD輸出電壓降至其預(yù)期調(diào)節(jié)電壓的80%（典型值）以下超過50ms（典型值），或者任何輸出發(fā)生短路情況，所有輸出將同時(shí)鎖存關(guān)閉，并設(shè)置故障狀態(tài)。在I2C模式下，僅故障輸出會(huì)自動(dòng)禁用。

（二）LED驅(qū)動(dòng)器部分

1. 基本工作原理

LED驅(qū)動(dòng)器部分集成了一個(gè)DC-DC控制器和一個(gè)4通道恒流阱驅(qū)動(dòng)器，可從寬輸入電源范圍為LED串提供所需的電源電壓。通過一個(gè)連接在ISET輸入到地的單個(gè)電阻，可以調(diào)節(jié)所有四個(gè)LED串的正向電流。還可以使用I2C接口對(duì)LED電流進(jìn)行微調(diào)。

2. 高級(jí)特性

• 自適應(yīng)電壓控制：根據(jù)LED串的正向電壓調(diào)整轉(zhuǎn)換器輸出電壓，降低恒流阱驅(qū)動(dòng)器上的電壓降，減少器件功耗。
• 寬PWM調(diào)光范圍：在200Hz調(diào)光頻率下，PWM調(diào)光范圍可達(dá)10,000:1，最小調(diào)光脈沖寬度可達(dá)500ns。
• 相移調(diào)光：可對(duì)LED串進(jìn)行相移調(diào)光，減少輸入和輸出紋波以及可聽噪聲。相移角度由使用的LED串總數(shù)決定，計(jì)算公式為(Theta=frac{360}{n})，其中n為使用的串總數(shù)，θ為相移角度（度）。
• 故障檢測(cè)：具備開路、短路和接地短路檢測(cè)功能，可檢測(cè)并斷開任何未使用的電流阱通道，避免誤報(bào)故障。當(dāng)發(fā)生開路故障時(shí)，DC-DC轉(zhuǎn)換器輸出電壓將被鉗位到過壓保護(hù)閾值，確保系統(tǒng)安全。

四、應(yīng)用電路設(shè)計(jì)要點(diǎn)

（一）TFT電源部分

1. 升壓轉(zhuǎn)換器

• 電感選擇：需要考慮電感值（L）、電感飽和電流（ISAT）和直流電阻（RDC）。電感值可根據(jù)輸入電壓、輸出電壓、輸出電流、開關(guān)頻率等參數(shù)計(jì)算得出，一般建議選擇30%至60%的峰 - 峰紋波電流與平均電流之比（LIR從0.3至0.6）。電感的飽和額定值必須超過最大電流限制。
• 輸出濾波電容選擇：主要考慮低等效串聯(lián)電阻（ESR），以減少輸出電壓的高頻紋波。輸出濾波電容值一般應(yīng)選擇10μF或更大。

2. 負(fù)向反相調(diào)節(jié)器

• 電感選擇：電感值可根據(jù)輸出電壓、輸出電流、開關(guān)頻率等參數(shù)計(jì)算得出，電感的飽和電流額定值必須超過最大電流限制。
• 外部二極管選擇：應(yīng)選擇峰值電流額定值至少為所選LXN電流限制（1.8A或1.1A）的二極管，二極管的擊穿電壓額定值應(yīng)超過最大INN電壓與NEG電壓絕對(duì)值之和。建議使用肖特基二極管以提高轉(zhuǎn)換器的整體效率。
• 輸出電容選擇：主要考慮低ESR和電容值，以提供負(fù)載電流。輸出電容值一般應(yīng)選擇10μF或更大。

（二）LED驅(qū)動(dòng)器部分

1. DC-DC轉(zhuǎn)換器

• 拓?fù)溥x擇：如果LED串正向電壓始終高于輸入電源電壓范圍，可使用升壓轉(zhuǎn)換器拓?fù)?；如果LED串正向電壓落在電源電壓范圍內(nèi)，則使用SEPIC拓?fù)?。升壓轉(zhuǎn)換器拓?fù)湫矢摺?/li>
• 功率電路設(shè)計(jì)：需要根據(jù)輸入電源電壓范圍、LED串所需的最大電壓和總輸出電流等參數(shù)計(jì)算最大占空比，然后根據(jù)占空比計(jì)算電感電流、電感值等參數(shù)。

2. 其他元件選擇

• 電流檢測(cè)電阻和斜率補(bǔ)償：MAX20069C背光升壓會(huì)產(chǎn)生一個(gè)用于斜率補(bǔ)償?shù)碾娏餍逼?，可通過連接在CS輸入和外部MOSFET源極之間的斜率補(bǔ)償電阻（RSC）提供可編程的斜坡電壓，以實(shí)現(xiàn)斜率補(bǔ)償。
• 輸出電容選擇：輸出電容的主要作用是減少轉(zhuǎn)換器輸出紋波，一般建議將峰 - 峰輸出電壓紋波限制在200mV以內(nèi)?？墒褂玫虴SR陶瓷電容，但為了減少PWM調(diào)光期間的可聽噪聲，可考慮使用額外的電解或鉭電容提供大部分的體電容。
• 外部開關(guān)MOSFET選擇：應(yīng)選擇電壓額定值足以承受最大升壓輸出電壓、連續(xù)漏極電流額定值大于計(jì)算值的MOSFET。同時(shí)，需要考慮MOSFET的開關(guān)損耗和傳導(dǎo)損耗。
• 整流二極管選擇：建議使用肖特基整流二極管，以減少正向壓降和MOSFET的開關(guān)損耗。二極管的電壓額定值應(yīng)比最大升壓轉(zhuǎn)換器輸出電壓高20%，電流額定值應(yīng)大于計(jì)算值。

五、總結(jié)

MAX20069C以其高度集成的設(shè)計(jì)、豐富的功能特性和良好的性能表現(xiàn)，為汽車TFT-LCD應(yīng)用提供了一站式的電源和背光驅(qū)動(dòng)解決方案。在實(shí)際設(shè)計(jì)中，電子工程師需要根據(jù)具體的應(yīng)用需求，合理選擇和設(shè)計(jì)各個(gè)元件，以確保系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠性和高性能。同時(shí)，要注意遵循器件的使用說明和設(shè)計(jì)指南，避免因不當(dāng)使用而導(dǎo)致的問題。你在使用MAX20069C或其他類似器件時(shí)，遇到過哪些挑戰(zhàn)呢？歡迎在評(píng)論區(qū)分享你的經(jīng)驗(yàn)和見解。