ADP8870：高效LED背光驅(qū)動(dòng)的理想之選

在電子設(shè)備的設(shè)計(jì)中，顯示屏的背光驅(qū)動(dòng)至關(guān)重要，它直接影響著設(shè)備的顯示效果和功耗。今天要給大家介紹的是Analog Devices公司的ADP8870，一款功能強(qiáng)大的電荷泵、并行背光驅(qū)動(dòng)器，它在多個(gè)方面展現(xiàn)出了卓越的性能，能為電子工程師的設(shè)計(jì)帶來(lái)諸多便利。

文件下載：ADP8870.pdf

一、產(chǎn)品概述

ADP8870將可編程背光LED電荷泵驅(qū)動(dòng)器、自動(dòng)光電晶體管亮度控制（LED電流）以及PWM輸入控制輸出電流規(guī)模相結(jié)合。這種組合能夠根據(jù)環(huán)境光照水平和顯示圖像內(nèi)容自動(dòng)改變電流強(qiáng)度，從而實(shí)現(xiàn)顯著的節(jié)能效果，而且無(wú)需處理器來(lái)監(jiān)控光電晶體管，通過(guò)I2C接口還能對(duì)光強(qiáng)度閾值進(jìn)行完全編程。

它最多可獨(dú)立驅(qū)動(dòng)七個(gè)LED，其中前六個(gè)LED典型驅(qū)動(dòng)電流可達(dá)30 mA，第七個(gè)LED可額外驅(qū)動(dòng)30 mA，最大可達(dá)60 mA。并且，所有LED既可以單獨(dú)編程，也能組合成一組來(lái)驅(qū)動(dòng)背光LED。同時(shí)，該產(chǎn)品具備一系列安全特性，包括短路、過(guò)壓和過(guò)溫保護(hù)，以及輸入 - 輸出隔離，還集成了軟啟動(dòng)功能，可限制啟動(dòng)、重啟嘗試和增益轉(zhuǎn)換時(shí)的浪涌電流。

二、產(chǎn)品特性剖析

（一）電源相關(guān)特性

1. 輸入電壓范圍：ADP8870的輸入電壓工作范圍為2.5 V至5.5 V，啟動(dòng)電平典型值為2.02 V，低電平典型值為1.94 V，啟動(dòng)后具有80 mV的遲滯。這使得它能夠適應(yīng)不同的電源環(huán)境，保證在多種電壓條件下穩(wěn)定工作。
2. 靜態(tài)電流：在待機(jī)模式下，當(dāng)VIN = 3.6 V，nSTBY = 0，SCL = SDA = 0 V時(shí)，靜態(tài)電流典型值為0.3 μA，最大值為1.5 μA，大大降低了待機(jī)功耗。而在增益為2倍且I_OUT = 0 mA時(shí)，靜態(tài)電流典型值為4.6 mA。
3. 振蕩器：開(kāi)關(guān)頻率典型值為1.00 MHz，占空比為50%，穩(wěn)定的頻率和占空比有助于保證電路的穩(wěn)定性和效率。

（二）輸出電流控制

1. LED驅(qū)動(dòng)能力：該驅(qū)動(dòng)器最多可驅(qū)動(dòng)七個(gè)LED，其中六個(gè)LED的最大驅(qū)動(dòng)電流可達(dá)30 mA，第七個(gè)LED最大可達(dá)60 mA，并且具有128級(jí)可編程最大電流限制，能夠滿足不同亮度需求。
2. 電流匹配：LED電流源匹配度高，能夠保證各個(gè)LED的亮度一致性，提高顯示效果。
3. PWM控制：PWM輸入可用于任何或所有LED的內(nèi)容自適應(yīng)亮度控制（CABC），還能按比例調(diào)節(jié)LED輸出電流。PWM輸入與輸出電流的線性度高，最大偏差在1.4%以內(nèi)，響應(yīng)時(shí)間快，能夠?qū)崿F(xiàn)精確的亮度調(diào)節(jié)。

（三）環(huán)境光感應(yīng)

1. 雙光傳感器輸入：具備兩個(gè)高精度（±5%）光電晶體管輸入，用于自動(dòng)環(huán)境光感應(yīng)（ALS），還設(shè)有5個(gè)可編程環(huán)境光感應(yīng)區(qū)域，可實(shí)現(xiàn)最佳的背光節(jié)能效果。
2. 比較器閾值可編程：每個(gè)光傳感器比較器都有四個(gè)可編程的觸發(fā)點(diǎn)，可根據(jù)環(huán)境光照條件在五種背光工作模式（日光、明亮、辦公、室內(nèi)和黑暗）之間進(jìn)行切換。

（四）故障保護(hù)

1. 短路保護(hù)：當(dāng)Vout < 55% of Vis時(shí)，短路保護(hù)（SCP）功能啟動(dòng)。不過(guò)在啟動(dòng)和重啟嘗試（故障恢復(fù)）期間，SCP感應(yīng)功能會(huì)被禁用，啟動(dòng)后4 ms（典型值）重新啟用。進(jìn)入短路故障時(shí)，設(shè)備進(jìn)入低電流消耗狀態(tài)并設(shè)置中斷標(biāo)志，可通過(guò)重寫(xiě)nSTBY = 1隨時(shí)重啟。
2. 過(guò)壓保護(hù)：輸出端設(shè)有過(guò)壓保護(hù)，分為正常（無(wú)故障）和異常兩種過(guò)壓情況。正常過(guò)壓時(shí)，設(shè)備通過(guò)增加增益級(jí)的有效Rout來(lái)調(diào)節(jié)輸出電壓；異常過(guò)壓時(shí)，當(dāng)輸出電壓超過(guò)OVP閾值（典型值為5.7 V），電荷泵會(huì)被禁用。
3. 過(guò)溫保護(hù)：當(dāng)芯片溫度超過(guò)150°C（典型值）時(shí)，控制器進(jìn)入熱關(guān)斷（TSD）保護(hù)模式，大部分內(nèi)部功能關(guān)閉，設(shè)備進(jìn)入待機(jī)狀態(tài)并設(shè)置中斷標(biāo)志。當(dāng)溫度降至約130°C時(shí)，可重新啟動(dòng)設(shè)備。

三、工作原理深度解讀

（一）功率級(jí)與自動(dòng)增益選擇

典型的白光LED需要高達(dá)4 V的電壓來(lái)驅(qū)動(dòng)，ADP8870采用高效電荷泵，在整個(gè)輸入電壓范圍（2.5 V至5.5 V）內(nèi)能夠輸出最大240 mA的電流。電荷泵通過(guò)兩個(gè)電容器和內(nèi)部開(kāi)關(guān)網(wǎng)絡(luò)，可實(shí)現(xiàn)1×、1.5×和2×的增益。

自動(dòng)增益選擇基于所有電流源的最小電壓（VDx）。啟動(dòng)時(shí)，設(shè)備處于1×模式，輸出充電至VIN。如果任何VDx低于所需的最小裕量電壓（典型值200 mV），增益將增加到1.5×，并在輸出穩(wěn)定100 μs后再進(jìn)行下一次增益切換決策。若仍存在電流吸收裕量不足的情況，增益將進(jìn)一步增加到2×。反之，為優(yōu)化效率，當(dāng)裕量電壓足夠大時(shí)，增益會(huì)降低。

（二）工作模式

1. 正常模式：所有電路均上電并處于完全工作狀態(tài)，將nSTBY（在寄存器MDCR中）設(shè)置為1即可進(jìn)入該模式。
2. 待機(jī)模式：除I2C接收器外，所有電路均被禁用，電流消耗降至小于1 μA。當(dāng)nSTBY設(shè)置為0或nRST引腳保持低電平超過(guò)100 μs（最大值）時(shí)進(jìn)入該模式，退出待機(jī)時(shí)會(huì)執(zhí)行軟啟動(dòng)序列。
3. 關(guān)斷模式：所有電路（包括I2C接收器）均被禁用，當(dāng)VIN低于欠壓閾值時(shí)進(jìn)入該模式。當(dāng)VIN上升超過(guò)VIN(START)（典型值2.02 V）時(shí)，所有寄存器復(fù)位，設(shè)備進(jìn)入待機(jī)模式。
4. 復(fù)位模式：所有寄存器設(shè)置為默認(rèn)值，設(shè)備進(jìn)入待機(jī)狀態(tài)?？赏ㄟ^(guò)上電復(fù)位（POR）或nRST引腳進(jìn)行復(fù)位，POR在設(shè)備退出關(guān)斷模式時(shí)激活，完成POR序列后，設(shè)備自動(dòng)進(jìn)入待機(jī)模式。

（三）圖像內(nèi)容控制

現(xiàn)代LCD顯示驅(qū)動(dòng)器通常會(huì)以PWM信號(hào)的形式輸出顯示圖像的白色強(qiáng)度。ADP8870利用這一特性，通過(guò)PWM輸入引腳按比例調(diào)節(jié)背光強(qiáng)度。當(dāng)PWM信號(hào)占空比為100%時(shí)，背光電流按編程值工作；當(dāng)占空比下降時(shí)，輸出LED電流會(huì)自動(dòng)按比例下降。用戶可在PWMLED寄存器中選擇響應(yīng)PWM輸入的LED。

（四）背光控制策略

1. 背光工作級(jí)別：背光亮度控制可在五個(gè)不同級(jí)別下工作，分別為日光、明亮、辦公、室內(nèi)和黑暗，通過(guò)寄存器0x04中的BLV位控制。默認(rèn)情況下，背光工作在日光級(jí)別，可通過(guò)相應(yīng)寄存器設(shè)置不同級(jí)別的最大和調(diào)光電流。
2. 最大和調(diào)光設(shè)置：背光的最大和調(diào)光電流設(shè)置由用戶編程到相關(guān)寄存器中的7位代碼決定，該7位分辨率允許將背光設(shè)置為0 mA至30 mA之間的128個(gè)不同級(jí)別。ADP8870采用平方律算法實(shí)現(xiàn)輸入代碼與背光電流之間的非線性關(guān)系。
3. 自動(dòng)調(diào)光和關(guān)閉定時(shí)器：用戶可使用寄存器0x08中的DIMT定時(shí)器對(duì)背光進(jìn)行自動(dòng)調(diào)光設(shè)置，該定時(shí)器有127種設(shè)置，范圍從1秒到127秒。同樣，可使用寄存器0x07中的OFFT定時(shí)器對(duì)背光進(jìn)行自動(dòng)關(guān)閉設(shè)置。

四、應(yīng)用注意事項(xiàng)

（一）電容選擇

ADP8870只需最少的外部組件即可高效工作，包括一個(gè)輸入電容器（CIN）、一個(gè)輸出電容器（COUT）和兩個(gè)電荷泵飛電容器（C1和C2）。CIN應(yīng)不小于1 μF，COUT、C1和C2建議使用1 μF，且這些電容器應(yīng)具有低等效串聯(lián)電阻（ESR），推薦使用低ESR的X5R或X7R電容器。同時(shí)，要注意不同增益狀態(tài)下電容器的電壓應(yīng)力，確保其滿足要求。

（二）布局準(zhǔn)則

1. 為獲得最佳的抗噪性能，應(yīng)將CIN和COUT電容器盡可能靠近各自的引腳放置，并讓它們共享短接地跡線。如果LED與VOUT引腳距離較遠(yuǎn)，建議在靠近LED的VOUT引腳處再放置一個(gè)電容器。
2. 為提高效率，電荷泵飛電容器應(yīng)盡可能靠近芯片放置。
3. 接地引腳應(yīng)連接到輸入和輸出電容器的接地端。若使用LFCSP封裝，暴露焊盤(pán)必須焊接到電路板的GND引腳。
4. 未使用的二極管引腳（D1 - D7）可以連接到地或VOUT，也可以浮空，但必須在寄存器中將其禁用，否則會(huì)影響電荷泵效率。

（三）I2C編程

ADP8870的I2C地址為0101011x（x = 0為寫(xiě)操作，x = 1為讀操作），寫(xiě)地址為0x56，讀地址為0x57。所有寄存器在復(fù)位或發(fā)生UVLO事件時(shí)會(huì)設(shè)置為默認(rèn)值，除非另有說(shuō)明，否則均為讀寫(xiě)寄存器。通過(guò)I2C接口可以對(duì)設(shè)備的各種功能進(jìn)行編程和控制。

五、總結(jié)

ADP8870以其豐富的功能、高效的性能和完善的保護(hù)機(jī)制，成為了電子設(shè)備背光驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)的優(yōu)秀選擇。它不僅能夠根據(jù)環(huán)境光照和顯示內(nèi)容自動(dòng)調(diào)節(jié)背光亮度，實(shí)現(xiàn)節(jié)能效果，還具備多種安全保護(hù)功能，確保設(shè)備的穩(wěn)定性和可靠性。在實(shí)際應(yīng)用中，電子工程師們只要根據(jù)其特性和應(yīng)用注意事項(xiàng)進(jìn)行合理設(shè)計(jì)和布局，就能充分發(fā)揮其優(yōu)勢(shì)，為產(chǎn)品帶來(lái)更好的用戶體驗(yàn)。大家在使用ADP8870的過(guò)程中，有沒(méi)有遇到過(guò)一些特殊的問(wèn)題或者發(fā)現(xiàn)一些獨(dú)特的應(yīng)用技巧呢？歡迎在評(píng)論區(qū)分享交流。