深入剖析LTC3220/LTC3220 - 1：18通道通用LED驅(qū)動器的卓越之選

在電子設(shè)備的設(shè)計中，LED驅(qū)動器是至關(guān)重要的組件，它直接影響著設(shè)備的顯示效果、功耗和穩(wěn)定性。今天，我們就來深入探討凌力爾特（Linear Technology）公司的LTC3220/LTC3220 - 1這款360mA通用18通道LED驅(qū)動器。

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一、產(chǎn)品概述

LTC3220/LTC3220 - 1是高度集成的多顯示LED驅(qū)動器。它內(nèi)置了高效、低噪聲的電荷泵，可為多達18個通用LED電流源供電，并且僅需5個小陶瓷電容就能組成完整的LED電源和電流控制器，大大簡化了設(shè)計。

產(chǎn)品特點

1. 豐富的電流源與精細控制：具備18個20mA通用電流源，每個電流源都能通過64步線性亮度控制實現(xiàn)獨立的開關(guān)、亮度調(diào)節(jié)、閃爍和漸變控制，通過2線(I^{2}C)接口就能輕松操作，為設(shè)計師提供了極大的靈活性。
2. 高效低噪的電荷泵：采用低噪聲多模式電荷泵（1x、1.5x、2x），最高效率可達91%。同時，其壓擺限制開關(guān)能有效降低傳導和輻射噪聲（EMI），保證了設(shè)備的電磁兼容性。
3. 強大的輸出能力：總輸出電流最高可達360mA，能夠滿足多種應(yīng)用場景的需求。
4. 多樣化的功能特性：內(nèi)部集成電流參考，擁有單復位引腳用于異步關(guān)機和復位所有數(shù)據(jù)寄存器，還提供兩個(I^{2}C)地址，方便在不同系統(tǒng)中使用。此外，自動或強制模式切換以及內(nèi)部軟啟動功能可限制浪涌電流，還有短路/熱保護功能，提高了產(chǎn)品的可靠性。

應(yīng)用場景

該驅(qū)動器適用于具有QVGA +顯示屏的視頻電話、鍵盤照明以及通用/雜項照明等領(lǐng)域，展現(xiàn)了其廣泛的適用性。

二、關(guān)鍵參數(shù)與特性

1. 絕對最大額定值

詳細規(guī)定了各個引腳的電壓、電流限制以及工作和存儲溫度范圍。例如，(V{IN})、(DV{CC})、CPO到GND的電壓范圍為 - 0.3V至6V，不同型號的工作溫度范圍有所差異，LTC3220E/LTC3220E - 1為 - 40°C至85°C，LTC3220I/LTC3220I - 1為 - 40°C至125°C。了解這些參數(shù)對于保證芯片的正常工作和壽命至關(guān)重要。

2. 電氣特性

• 電源相關(guān)參數(shù)：(V{IN})的工作電壓范圍為2.9V至5.5V，不同模式下的工作電流也不同，如(I{CPO}=0)時，1x模式為580μA，1.5x模式為2.4mA，2x模式為3.2mA。
• LED電流參數(shù)：全量程LED電流典型值為20mA，最小可編程電流為0.395mA，LED電流匹配度在50%滿量程時可達1.5%，LED壓降典型值為120mV。
• 其他特性參數(shù)：閃爍速率周期有1.25s和2.5s可選，漸變斜坡時間和周期也有多種設(shè)置，電荷泵不同模式下的輸出阻抗和調(diào)節(jié)電壓也有明確規(guī)定，這些參數(shù)為設(shè)計提供了精確的參考。

3. 典型性能特性

文檔給出了各種典型性能曲線，如不同模式下的開關(guān)電阻與溫度的關(guān)系、CPO電壓與輸出電流的關(guān)系、效率與輸入電壓的關(guān)系等。通過這些曲線，我們可以直觀地了解芯片在不同條件下的性能表現(xiàn)，從而優(yōu)化設(shè)計。

三、引腳功能與框圖

1. 引腳功能

• ULED1 - ULED18：用于驅(qū)動LED的電流源輸出引腳，可通過軟件控制和內(nèi)部6位線性DAC將LED電流從0mA設(shè)置到20mA，還可作為(I^{2}C)控制的開漏通用輸出。
• (DV_{CC})：為所有數(shù)字I/O線提供電源電壓，設(shè)置芯片的邏輯參考電平，低于欠壓鎖定閾值時會復位數(shù)據(jù)寄存器。
• SCL和SDA：分別是(I^{2}C)時鐘輸入和串行端口的輸入數(shù)據(jù)引腳，用于與外部設(shè)備進行通信。
• C1P、C2P、C1M、C2M：電荷泵飛跨電容引腳，需連接2.2μF的陶瓷電容。
• (V_{IN})：為整個設(shè)備提供電源電壓，需用一個2.2μF的低ESR陶瓷電容旁路。
• RST：低電平有效復位輸入，可將芯片置于關(guān)機模式并清除所有內(nèi)部寄存器。
• CPO：電荷泵輸出，為所有LED供電，需連接4.7μF的陶瓷電容。
• 暴露焊盤（Pin 29）：接地，必須焊接到PCB的接地層。

2. 框圖

從框圖中可以清晰地看到芯片的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，包括振蕩器、電荷泵、18個通用電流源和DAC、控制邏輯、寄存器等部分。這有助于我們理解芯片的工作原理和信號流程。

四、工作原理

1. 電源管理

芯片采用開關(guān)電容電荷泵來提升CPO電壓，最高可達輸入電壓的2倍（最高5.1V）。上電時處于1x模式，此時(V{IN})直接連接到CPO，效率最高、噪聲最小。當檢測到LED電流源出現(xiàn)壓降（dropout）時，會自動切換到1.5x模式，CPO電壓嘗試達到1.5×(V{IN})（最高4.6V）；若再次出現(xiàn)壓降，則進入2x模式，CPO電壓嘗試達到2×(V_{IN})（最高5.1V）。這種根據(jù)負載情況自動切換模式的功能，有效提高了電源效率。

2. 軟啟動

芯片在關(guān)機狀態(tài)時，通過一個弱開關(guān)將(V_{IN})連接到CPO，使CPO輸出電容緩慢充電，防止產(chǎn)生大的充電電流。同時，電荷泵也具備軟啟動功能，在切換到升壓模式時，可防止過大的浪涌電流和電源壓降，典型的電流提升時間為125μs。

3. 電荷泵強度

在1.5x或2x模式下，電荷泵可等效為一個戴維南電路，通過有效輸入電壓和有效開環(huán)輸出電阻(R{OL})來確定可用電流。(R{OL})受多種因素影響，如開關(guān)項、內(nèi)部開關(guān)電阻和開關(guān)電路的非重疊周期等。不同模式下的可用電流計算公式為：

• 1.5x模式：(I{OUT }=frac{1.5 V{IN }-V{C P O}}{R{OL}})
• 2x模式：(I{OUT }=frac{2 V{IN }-V{C P O}}{R{OL}})

4. 模式切換

芯片會在檢測到LED引腳出現(xiàn)壓降時，自動從1x模式切換到1.5x模式，再到2x模式，但模式切換需要壓降持續(xù)約400μs才會發(fā)生。當通過(I^{2}C)端口更新寄存器、漸變完成下降斜坡或每個閃爍周期結(jié)束后，模式會自動切換回1x模式。此外，還可以通過向REG0寫入相應(yīng)位來強制芯片工作在1x、1.5x或2x模式。

5. 通用電流源

18個通用20mA電流源每個都配有一個6位線性DAC用于電流控制，輸出電流范圍為0mA至20mA，共64步。當寫入全零數(shù)據(jù)字時，該電流源會被禁用，電源電流降為零。未使用的輸出應(yīng)連接到地。

6. GPO模式

ULED1 - ULED18可作為通用輸出（GPO），用作(I^{2}C)控制的開漏驅(qū)動器。通過將數(shù)據(jù)寄存器（REG1至REG18）的第6位和第7位編程為邏輯高電平，可選擇ULED輸出工作在GPO模式。在該模式下，壓降檢測被禁用，輸出接地擺動不會導致模式切換。GPO可被編程為開關(guān)（強下拉模式）或具有高達20mA的調(diào)節(jié)電流（限流模式）。

7. 閃爍和漸變功能

每個通用輸出都可以通過(I^{2}C)端口設(shè)置閃爍，閃爍時間和周期有多種選擇；也可以設(shè)置電流以0.24s、0.48s和0.96s的速率上升和下降，實現(xiàn)漸變效果。閃爍和漸變速率相互獨立，通過REG19設(shè)置時間，通過REG1至REG18選擇ULED輸出。

8. 芯片復位和關(guān)機

RST引腳用于關(guān)閉芯片，包括電荷泵和所有ULED輸出，并清除所有寄存器。當所有電流源數(shù)據(jù)位寫為零、REG0中的關(guān)機位寫為邏輯1、RST引腳拉低或(DV{CC})低于欠壓鎖定電壓時，芯片進入關(guān)機狀態(tài)。關(guān)機時，芯片會從(V{IN})吸取約3μA的電流。

9. EMI降低

飛跨電容引腳C1M、C1P、C2M和C2P具有受控的壓擺率，可有效降低傳導和輻射噪聲，提高芯片的電磁兼容性。

10. 串行端口和(I^{2}C)接口

芯片通過與微控制器兼容的(I^{2}C)串行端口接收所有命令和控制輸入。數(shù)據(jù)在SCL的上升沿加載到SDA輸入，共有20個數(shù)據(jù)寄存器、1個地址寄存器和1個子地址寄存器。采用標準(I^{2}C) 2線接口與主機通信，有兩個(I^{2}C)地址可供選擇（LTC3220為0011100，LTC3220 - 1為0011101）。通信遵循特定的寫字協(xié)議，包括起始條件、從地址、子地址、數(shù)據(jù)字節(jié)和停止條件等。

五、應(yīng)用設(shè)計要點

1. 電容選擇

• (V_{IN})和CPO電容：為降低噪聲和紋波，建議使用低等效串聯(lián)電阻（ESR）的陶瓷電容。(C{CPO})的大小直接影響輸出紋波，增大其值可降低紋波，但會增加啟動電流。1.5x模式下的輸出紋波計算公式為(V{RIPPLEP - P }=frac{I{OUT }}{3 f{OSC } cdot C{CPO }})。同時，輸出電容的類型和值會影響芯片的穩(wěn)定性，建議電容值至少為3.2μF，ESR小于80mΩ。(C{VIN})的大小控制著輸入引腳的紋波，為進一步降低輸入噪聲，可通過一個10nH的小串聯(lián)電感為芯片供電。
• 飛跨電容：必須使用陶瓷電容，每個飛跨電容的電容值至少為1.6μF。不同材料的電容在高溫和高壓下的電容損失不同，應(yīng)根據(jù)實際情況選擇合適的電容，并參考電容制造商的數(shù)據(jù)表。

2. 布局考慮和噪聲抑制

雖然芯片在設(shè)計上已盡量減少EMI，但由于其高開關(guān)頻率和瞬態(tài)電流，仍需精心設(shè)計電路板布局。使用真正的接地平面和短的電容連接可提高性能。為減少飛跨電容引腳產(chǎn)生的電容性和磁性耦合，可使用法拉第屏蔽（即接地的PCB走線）將敏感節(jié)點與芯片引腳隔開。

3. 電源效率計算

LED驅(qū)動器芯片的電源效率計算公式為(eta=frac{P{LED}}{P{IN}})。在不同工作模式下，效率有所不同。在1x模式下，芯片作為通斷開關(guān)工作，效率近似為(eta=frac{V{LED}}{V{IN}})；在1.5x和2x升壓模式下，效率類似于線性調(diào)節(jié)器，分別為(eta{IDEAL }=frac{V{LED}}{1.5 cdot V{IN}})和(eta{IDEAL }=frac{V{LED}}{2 cdot V{IN}})。

4. 熱管理

在高輸入電壓和最大輸出電流情況下，芯片可能會產(chǎn)生較大的功耗。當結(jié)溫超過約150°C時，熱關(guān)斷電路會自動關(guān)閉輸出電流源和電荷泵。為降低最大結(jié)溫，建議將暴露焊盤連接到接地平面，并保持芯片下方的接地平面完整，以降低封裝和PCB的熱阻。

六、典型應(yīng)用與相關(guān)產(chǎn)品

1. 典型應(yīng)用

文檔給出了一個用于手機多顯示LED控制器的典型應(yīng)用電路，展示了芯片在實際設(shè)計中的應(yīng)用方式。

2. 相關(guān)產(chǎn)品

還列舉了一系列相關(guān)的LED驅(qū)動器和DC/DC轉(zhuǎn)換器產(chǎn)品，為設(shè)計師在不同應(yīng)用場景下提供了更多選擇。

綜上所述，LTC3220/LTC3220 - 1是一款功能強大、性能優(yōu)越的LED驅(qū)動器芯片。電子工程師在使用時，需要充分理解其特性和工作原理，合理選擇外部元件，精心設(shè)計電路板布局，以確保芯片在系統(tǒng)中發(fā)揮最佳性能。大家在實際應(yīng)用中是否遇到過類似芯片的其他問題呢？歡迎一起交流探討。