拆解MAX20096/MAX20097：雙路同步降壓高亮度LED控制器

在當(dāng)今的電子領(lǐng)域，高亮度LED在汽車(chē)、商業(yè)、工業(yè)和建筑照明等眾多場(chǎng)景中得到了廣泛應(yīng)用。為了實(shí)現(xiàn)對(duì)這些LED的高效、精準(zhǔn)控制，需要性能卓越的LED控制器。Maxim Integrated推出的MAX20096/MAX20097雙路同步降壓高亮度LED控制器，就是這樣一款備受關(guān)注的產(chǎn)品。下面我們就來(lái)深入了解一下這兩款控制器。

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產(chǎn)品概述

MAX20096/MAX20097是雙路、高壓、同步n溝道高電流降壓LED驅(qū)動(dòng)器。它們采用了專(zhuān)有的平均電流模式控制方案來(lái)調(diào)節(jié)電感電流，這種控制方法無(wú)需任何控制環(huán)路補(bǔ)償，就能保持近乎恒定的開(kāi)關(guān)頻率。電感電流感測(cè)是通過(guò)感測(cè)底部開(kāi)關(guān)器件中的電流來(lái)實(shí)現(xiàn)的。這兩款I(lǐng)C集成了兩個(gè)完全同步的降壓轉(zhuǎn)換器控制器，輸入電壓范圍寬達(dá)4.5V至65V，并且設(shè)計(jì)用于高頻操作，開(kāi)關(guān)頻率最高可達(dá)1MHz。

不同型號(hào)特點(diǎn)

• MAX20096：可以通過(guò)SPI接口回讀兩個(gè)通道的輸出電壓、電流以及結(jié)溫。具備多種保護(hù)功能，如電感電流限制保護(hù)、過(guò)壓保護(hù)和熱關(guān)斷等。采用節(jié)省空間的熱增強(qiáng)型（5mm x 5mm）、32引腳可側(cè)焊TQFN封裝，適用于 -40°C至 +125°C的汽車(chē)溫度范圍。
• MAX20097：采用28引腳熱增強(qiáng)型TSSOP封裝，但沒(méi)有SPI接口。它包含一個(gè)開(kāi)漏故障標(biāo)志（FLTB），當(dāng)任何一個(gè)通道出現(xiàn)開(kāi)路、短路或過(guò)壓激活情況，或者發(fā)生熱關(guān)斷時(shí)，該標(biāo)志會(huì)變?yōu)榈碗娖健?/li>

關(guān)鍵特性與優(yōu)勢(shì)

高集成度與成本效益

高度集成的設(shè)計(jì)最大限度地減少了高亮度LED驅(qū)動(dòng)器的物料清單（BOM），節(jié)省了空間和成本。寬輸入電壓范圍（4.5V至65V）使其能夠適應(yīng)多種電源環(huán)境，無(wú)需額外的電壓轉(zhuǎn)換電路。而且不需要補(bǔ)償組件，進(jìn)一步簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)。開(kāi)關(guān)頻率可編程，用戶(hù)可以根據(jù)具體應(yīng)用需求進(jìn)行調(diào)整。同時(shí)，外部MOSFET的尺寸可以根據(jù)適當(dāng)?shù)碾娏鬟M(jìn)行選擇，提高了設(shè)計(jì)的靈活性。

寬調(diào)光比與高對(duì)比度

支持寬調(diào)光比，能夠?qū)崿F(xiàn)高對(duì)比度。提供模擬調(diào)光和PWM調(diào)光兩種方式，其中PWM調(diào)光可以保持LED顏色不變，無(wú)論亮度如何變化。在PWM調(diào)光中，LED電流波形頻率恒定，占空比根據(jù)所需光強(qiáng)度進(jìn)行設(shè)置。為了避免閃爍問(wèn)題，PWM調(diào)光頻率應(yīng)設(shè)置在200Hz以上。

適用于矩陣照明

能夠在短路/開(kāi)路單個(gè)LED時(shí)保持電流調(diào)節(jié)，超快速響應(yīng)控制環(huán)路可以防止過(guò)沖和下沖。這使得它非常適合用于矩陣照明應(yīng)用，能夠確保每個(gè)LED的亮度穩(wěn)定，提高照明效果。

保護(hù)功能與可靠性

具備短路、過(guò)壓和熱保護(hù)等多種保護(hù)功能，工作溫度范圍為 -40°C至 +125°C，能夠在惡劣環(huán)境下穩(wěn)定工作。還提供熱監(jiān)測(cè)和LED電流監(jiān)測(cè)功能，方便用戶(hù)實(shí)時(shí)了解設(shè)備的工作狀態(tài)。

電氣特性詳解

絕對(duì)最大額定值

了解器件的絕對(duì)最大額定值對(duì)于正確使用和保護(hù)器件至關(guān)重要。MAX20096/MAX20097的絕對(duì)最大額定值涵蓋了多個(gè)參數(shù)，如輸入電壓、輸出電壓、電流等。例如，VIN至VAGND的范圍為 -0.3V至 +70V，VCC至VAGND的范圍為 -0.3V至 +6.0V等。在設(shè)計(jì)電路時(shí)，必須確保所有參數(shù)都在這些額定值范圍內(nèi)，以避免器件損壞。

電氣參數(shù)

文檔中詳細(xì)列出了各種電氣參數(shù)，包括輸入電源電壓、VCC穩(wěn)壓器、模擬調(diào)光輸入、PWM調(diào)光等方面的參數(shù)。例如，在輸入電源電壓方面，工作電源電壓VIN的范圍為4.5V至65V，VIN靜態(tài)電流IINQ在DIM1 = DIM2 = 5V時(shí)最大為10mA。這些參數(shù)為工程師進(jìn)行電路設(shè)計(jì)和性能評(píng)估提供了重要依據(jù)。

典型工作特性

文檔中給出了多個(gè)典型工作特性曲線(xiàn)，如效率與LED電流的關(guān)系、誤差與ILED[6:0]的關(guān)系等。通過(guò)這些曲線(xiàn)，我們可以直觀地了解器件在不同工作條件下的性能表現(xiàn)。例如，從效率與LED電流的曲線(xiàn)中可以看出，在不同的輸入電壓和溫度條件下，器件的效率隨LED電流的變化情況。這有助于工程師選擇合適的工作點(diǎn)，以實(shí)現(xiàn)最佳的性能和效率。

引腳配置與功能

引腳說(shuō)明

MAX20096和MAX20097的引腳配置有所不同，但都包含了用于電源輸入、開(kāi)關(guān)控制、調(diào)光、電流感測(cè)等功能的引腳。例如，IN引腳是VCC穩(wěn)壓器的電源輸入引腳，需要連接一個(gè)1μF的陶瓷電容到PGND以進(jìn)行旁路。BST引腳是高端柵極驅(qū)動(dòng)的高端電源，需要連接一個(gè)0.1μF的陶瓷電容到LX引腳。REFI引腳是模擬調(diào)光輸入引腳，通過(guò)連接一個(gè)電阻分壓器到VCC，可以設(shè)置默認(rèn)的LED電流。

引腳連接注意事項(xiàng)

在進(jìn)行引腳連接時(shí)，需要注意一些細(xì)節(jié)。例如，輸入旁路電容應(yīng)盡可能靠近IN和PGND引腳，以減小輸入旁路電容形成的環(huán)路面積。BST和LX引腳之間的電容應(yīng)盡可能靠近這兩個(gè)引腳，以確保高端柵極驅(qū)動(dòng)的正常工作。同時(shí)，要注意引腳的電氣特性和功能，避免連接錯(cuò)誤導(dǎo)致器件無(wú)法正常工作。

工作原理剖析

VCC電源

VCC電源是芯片的低壓數(shù)字和模擬電源，它從IN到GND的輸入電壓獲取能量。內(nèi)部的上電復(fù)位（POR）會(huì)監(jiān)控VCC電壓和IN電壓。當(dāng)VCC低于其欠壓鎖定（UVLO）閾值時(shí)，會(huì)產(chǎn)生一個(gè)POR低電平，使IC復(fù)位。當(dāng)輸入電壓恢復(fù)正常且VCC穩(wěn)壓器輸出恢復(fù)正常時(shí)，芯片會(huì)退出復(fù)位狀態(tài)。在某些應(yīng)用中，如果有外部調(diào)節(jié)的5V電源可用，可以將IN和VCC連接在一起，并直接將調(diào)節(jié)后的5V電壓施加到VCC，這樣可以節(jié)省器件內(nèi)部穩(wěn)壓器的功耗。

降壓LED驅(qū)動(dòng)器

這兩款I(lǐng)C采用了新的平均電流模式控制方案來(lái)調(diào)節(jié)降壓LED驅(qū)動(dòng)器輸出電感中的電流。在同步降壓LED驅(qū)動(dòng)器中，IC會(huì)感測(cè)兩個(gè)通道底部同步開(kāi)關(guān)中的電流。當(dāng)降壓轉(zhuǎn)換器在連續(xù)導(dǎo)通模式下工作時(shí)，頂部開(kāi)關(guān)關(guān)閉時(shí)，電感中的電流也會(huì)流過(guò)底部開(kāi)關(guān)或二極管。通過(guò)在底部開(kāi)關(guān)/二極管周期的一半處感測(cè)電流，可以得到電感的平均電流，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)電感電流的調(diào)節(jié)。

調(diào)光功能

模擬調(diào)光

模擬調(diào)光可以通過(guò)SPI接口或REFI引腳來(lái)實(shí)現(xiàn)。在MAX20096中，通過(guò)SPI寄存器進(jìn)行模擬調(diào)光時(shí)，需要將CNFG_SEL位設(shè)置為1，然后通過(guò)CNFG_CRNT1和CNFG_CRNT2寄存器來(lái)編程LED電流。通過(guò)REFI引腳進(jìn)行模擬調(diào)光時(shí)，將CNFG_SEL位設(shè)置為0，REFI引腳的電壓可以線(xiàn)性調(diào)節(jié)LED電流。在MAX20097中，模擬調(diào)光類(lèi)似于MAX20096通過(guò)REFI引腳進(jìn)行的模擬調(diào)光。

PWM調(diào)光

IC支持PWM調(diào)光，這是一種優(yōu)選的調(diào)光方法，因?yàn)樗梢员３諰ED顏色不變。在MAX20096中，根據(jù)SPI參數(shù)（PWM1_SEL和PWM2_SEL）的不同，可以選擇外部或內(nèi)部PWM調(diào)光模式。在MAX20097中，由于沒(méi)有SPI接口，PWM調(diào)光直接由DIM引腳控制。PWM調(diào)光可以通過(guò)DIM引腳或SPI接口來(lái)實(shí)現(xiàn)，通過(guò)設(shè)置不同的占空比來(lái)調(diào)節(jié)LED的亮度。

電流監(jiān)測(cè)

器件在IOUTV引腳包含一個(gè)電流監(jiān)測(cè)功能。IOUTV電壓是電感電流在DIM為高電平時(shí)的模擬電壓指示。底部MOSFET上的電流感測(cè)信號(hào)通過(guò)一個(gè)反相放大器放大5倍，并加上0.2V的偏移電壓。這個(gè)放大后的信號(hào)通過(guò)一個(gè)采樣保持開(kāi)關(guān)，只有在DL為高電平時(shí)采樣保持開(kāi)關(guān)才會(huì)打開(kāi)，從而得到一個(gè)能夠真實(shí)反映電感電流的信號(hào)。這個(gè)信號(hào)經(jīng)過(guò)RC濾波后，在IOUTV引腳輸出。

ADC功能（僅MAX20096）

MAX20096具有一個(gè)內(nèi)部ADC，用于測(cè)量?jī)蓚€(gè)通道的輸出電壓、LED電流和器件溫度。ADC采用8位逐次逼近寄存器（SAR）拓?fù)?，通過(guò)一個(gè)5通道多路復(fù)用器依次采樣這些電壓。轉(zhuǎn)換由內(nèi)部生成的2MHz時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)。對(duì)于輸出電壓，ADC采樣是由PWM調(diào)光信號(hào)門(mén)控的，只有在PWM為高電平時(shí)且經(jīng)過(guò)一定延遲后才會(huì)采樣。所有ADC寄存器的數(shù)據(jù)完整性由第8位（即第9位）的奇校驗(yàn)保護(hù)。

SPI接口解析

概述

MAX20096的SPI接口與SPI/QSPI/Microwire/DSP兼容。SPI事務(wù)由一個(gè)CSB低電平間隔構(gòu)成的（N x 16）周期指令組成。SDI內(nèi)容包含一個(gè)讀寫(xiě)位、地址、奇偶校驗(yàn)和輸入數(shù)據(jù)信息。SDO在CSB下降沿時(shí)由MAX20096驅(qū)動(dòng)，最初呈現(xiàn)輸出數(shù)據(jù)的最高有效位（SPI_ERR位）。

RESETB引腳功能

RESETB引腳用于在SPI接口出現(xiàn)故障時(shí)將器件異步復(fù)位到故障安全默認(rèn)操作模式。當(dāng)RESETB為低電平時(shí)，所有配置內(nèi)容將復(fù)位到默認(rèn)狀態(tài)。除了CNFG_SPI寄存器外，在RESETB為低電平時(shí)進(jìn)行的寫(xiě)模式事務(wù)將被拒絕。

設(shè)備連接方式

SPI接口支持標(biāo)準(zhǔn)（星形）和菊花鏈兩種設(shè)備連接方式。在標(biāo)準(zhǔn)連接中，每個(gè)設(shè)備需要一個(gè)獨(dú)立的CSB線(xiàn)，SCLK、SDI和SDO線(xiàn)是所有設(shè)備共用的。在菊花鏈連接中，一組設(shè)備可以共享一個(gè)CSB線(xiàn)，SDI和SDO線(xiàn)依次連接，這樣可以減少接口線(xiàn)的數(shù)量，提高通信效率。

事務(wù)類(lèi)型

寫(xiě)模式事務(wù)

寫(xiě)模式事務(wù)需要滿(mǎn)足一定的條件才能執(zhí)行，包括事務(wù)長(zhǎng)度必須為N x 16位、SDI數(shù)據(jù)幀奇偶校驗(yàn)必須通過(guò)、A[3:0]必須選擇一個(gè)有效的可寫(xiě)寄存器或命令、RESETB在事務(wù)期間不能被斷言等。如果事務(wù)合格，指令將被執(zhí)行，內(nèi)部寄存器內(nèi)容將被更新，內(nèi)部事務(wù)日志也將更新以表示成功的事務(wù)。

讀模式事務(wù)

讀模式事務(wù)也需要滿(mǎn)足一定的條件，如事務(wù)長(zhǎng)度必須為N x 16位、SDI數(shù)據(jù)幀奇偶校驗(yàn)必須通過(guò)、DIN[9:0]必須全為零等。如果事務(wù)合格，指令將被執(zhí)行，內(nèi)部寄存器內(nèi)容將被更新，內(nèi)部事務(wù)日志將更新以包含請(qǐng)求的內(nèi)容。

錯(cuò)誤診斷

當(dāng)MAX20096接收到不合格的事務(wù)時(shí)，SPI_ERR位將被設(shè)置為1，同時(shí)還會(huì)有詳細(xì)的SPI診斷位來(lái)幫助診斷接口問(wèn)題，如CLK_ERR、PAR_ERR、RW_ERR等。這些診斷位是讀清零的，即一旦被設(shè)置，只有通過(guò)一個(gè)合格的讀模式事務(wù)讀取SPI配置寄存器才能將其清除。

診斷功能

熱警告與熱關(guān)斷

當(dāng)結(jié)溫超過(guò)150°C時(shí)，熱警告標(biāo)志將被設(shè)置。當(dāng)結(jié)溫超過(guò)165°C（典型值）時(shí)，熱關(guān)斷標(biāo)志將被設(shè)置，此時(shí)兩個(gè)降壓穩(wěn)壓器的開(kāi)關(guān)將關(guān)閉。當(dāng)結(jié)溫低于熱警告閾值時(shí)，標(biāo)志將在讀取時(shí)清除。

LED故障檢測(cè)

包括開(kāi)路、短路和過(guò)流檢測(cè)。當(dāng)LED電流低于編程值的25%時(shí)，開(kāi)路標(biāo)志將被設(shè)置；當(dāng)OUT引腳電壓低于短路閾值時(shí)，短路標(biāo)志將被設(shè)置；當(dāng)電流超過(guò)編程值的20%時(shí)，過(guò)流標(biāo)志將被設(shè)置。這些標(biāo)志是鎖存的，只有在問(wèn)題解決后讀取時(shí)才會(huì)清除。

SPI錯(cuò)誤檢測(cè)

SPI錯(cuò)誤在CNFG_SPI寄存器中單獨(dú)報(bào)告，包括時(shí)鐘錯(cuò)誤、奇偶校驗(yàn)錯(cuò)誤和讀寫(xiě)錯(cuò)誤等。

寄存器映射

文檔中詳細(xì)列出了各個(gè)寄存器的地址、名稱(chēng)、位域描述、復(fù)位值和訪(fǎng)問(wèn)類(lèi)型等信息。例如，NO_OP（0x00）寄存器是一個(gè)讀寫(xiě)訪(fǎng)問(wèn)寄存器，對(duì)IC的操作沒(méi)有影響，但可以用于驗(yàn)證SPI接口的操作。CNFG_SPI（0x01）寄存器用于控制SPI的配置和內(nèi)部安全終端的啟用狀態(tài)，并且在RESETB斷言期間也可以進(jìn)行寫(xiě)操作。通過(guò)對(duì)這些寄存器的配置和讀取，用戶(hù)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)器件的各種功能控制和狀態(tài)監(jiān)測(cè)。

PCB布局指南

輸入旁路電容

輸入旁路電容應(yīng)盡可能靠近IN和PGND引腳，以減小輸入旁路電容形成的環(huán)路面積。輸入電容器、器件、輸出電感器和輸出電容器應(yīng)放置在PCB的同一側(cè)，并在同一層進(jìn)行連接。

接地平面

應(yīng)在靠近包含電感器、器件以及輸入和輸出電容器的表面層的層上放置一個(gè)完整的接地平面，以提供良好的接地路徑，減少噪聲干擾。

開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)

LX和BST節(jié)點(diǎn)的表面積應(yīng)盡可能小，以減少輻射。同時(shí)，應(yīng)盡量減小開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)和接地節(jié)點(diǎn)之間的寄生電容，以降低共模噪聲。

散熱考慮

封裝底部的暴露焊盤(pán)必須焊接地，以實(shí)現(xiàn)電氣連接和散熱。為了降低熱阻，應(yīng)盡可能擴(kuò)展接地平面，并在器件下方和附近添加熱過(guò)孔到電路板內(nèi)的其他接地平面。

噪聲抑制

在同步整流器中，高速柵極驅(qū)動(dòng)信號(hào)可能會(huì)產(chǎn)生顯著的傳導(dǎo)和輻射EMI。建議在柵極驅(qū)動(dòng)信號(hào)中串聯(lián)一個(gè)小電阻（4Ω至10Ω），以減緩LX節(jié)點(diǎn)的轉(zhuǎn)換速率并降低噪聲。

總結(jié)

MAX20096/MAX20097是兩款性能卓越的雙路同步降壓高亮度LED控制器，它們具有集成度高、調(diào)光范圍寬、保護(hù)功能完善等優(yōu)點(diǎn)。通過(guò)對(duì)其電氣特性、工作原理、引腳配置、SPI接口、診斷功能和PCB布局等方面的深入了解，工程師可以更好地將這兩款控制器應(yīng)用到實(shí)際項(xiàng)目中，實(shí)現(xiàn)高效、穩(wěn)定的LED照明控制。在實(shí)際設(shè)計(jì)過(guò)程中，還需要根據(jù)具體應(yīng)用需求，合理選擇器件和配置參數(shù)，并嚴(yán)格按照PCB布局指南進(jìn)行設(shè)計(jì)，以確保系統(tǒng)的性能和可靠性。你在使用類(lèi)似的LED控制器時(shí)遇到過(guò)哪些問(wèn)題呢？歡迎在評(píng)論區(qū)分享你的經(jīng)驗(yàn)和見(jiàn)解。