LM36922H：高效雙串白光 LED 驅(qū)動芯片的深度解析

在電子工程師的日常設(shè)計工作中，為 LCD 顯示屏背光選擇合適的 LED 驅(qū)動芯片至關(guān)重要。今天，我們就來詳細(xì)探討一下 Texas Instruments 推出的 LM36922H 這款超緊湊、高效的雙串白光 LED 驅(qū)動芯片。

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一、產(chǎn)品概述

1.1 基本信息

LM36922H 是一款專為 LCD 顯示背光設(shè)計的芯片，它可以為一到兩串白光 LED 供電。該芯片工作在 2.5 - 5.5V 的輸入電壓范圍內(nèi)，并且能夠在 -40°C 到 +85°C 的溫度范圍內(nèi)穩(wěn)定運行。其采用 12 引腳的 DSBGA 封裝，尺寸僅為 1.756 mm × 1.355 mm，十分小巧，適合應(yīng)用于對空間要求較高的設(shè)備，如智能手機和平板電腦。

1.2 關(guān)鍵特性亮點

• 精準(zhǔn)的電流匹配和控制：在不同的工藝、電壓和溫度條件下，都能實現(xiàn) 1% 的匹配電流沉和 3% 的電流沉精度，確保每串 LED 的亮度均勻一致。同時，具有 11 位的調(diào)光分辨率，能夠?qū)崿F(xiàn)非常細(xì)膩的亮度調(diào)節(jié)。
• 高轉(zhuǎn)換效率：解決方案效率最高可達(dá) 90%，這意味著在為 LED 供電時，能夠有效減少能量損耗，降低設(shè)備的功耗。
• 靈活的驅(qū)動能力：可以驅(qū)動一到兩串并行的 LED，每串電流可達(dá) 25 mA，輸出電壓最高可達(dá) 38 V，滿足多種不同的 LED 配置需求。
• 豐富的調(diào)光和控制方式：支持 PWM 調(diào)光輸入，并且可以通過 I2C 接口進行編程，用戶可以根據(jù)實際需求靈活選擇控制方式。
• 可調(diào)節(jié)的開關(guān)頻率：提供 500 - kHz 和 1 - MHz 兩種可選的開關(guān)頻率，還可以選擇 -12% 的頻率偏移，同時具備自動開關(guān)頻率模式（250 - kHz、500 - kHz、1 - MHz），能夠根據(jù)負(fù)載電流自動調(diào)整頻率，優(yōu)化效率。
• 完善的保護功能：具有四種可配置的過壓保護閾值（17 - V、24 - V、31 - V、38 - V）和過流保護閾值（750 - mA、1000 - mA、1250 - mA、1500 - mA），以及熱關(guān)斷保護功能，確保芯片在各種異常情況下都能安全穩(wěn)定地工作。
• 可選擇的 I2C 地址：通過 ASEL 輸入引腳，可以外部選擇兩種 I2C 地址選項，方便在同一系統(tǒng)中使用多個芯片。

二、引腳配置與功能

2.1 引腳布局

LM36922H 采用 12 引腳的 DSBGA 封裝，其引腳布局經(jīng)過精心設(shè)計，以方便與其他電路元件進行連接。每個引腳都有特定的功能，包括 LED 電流輸入、I2C 接口、PWM 控制、硬件使能等。

2.2 主要引腳功能解釋

• LED1 和 LED2：分別是兩個電流沉的輸入引腳，用于連接 LED 燈串。芯片的升壓轉(zhuǎn)換器會將這兩個引腳之間的最小電壓調(diào)節(jié)到 VHR。
• ASEL：邏輯輸入引腳，用于選擇兩種 I2C 地址選項。當(dāng)該引腳接地時，I2C 地址為 0x36；當(dāng)該引腳接高電平時，I2C 地址為 0x37。
• SDA 和 SCL：I2C 接口的數(shù)據(jù)輸入/輸出和時鐘輸入引腳，通過這兩個引腳可以與其他 I2C 設(shè)備進行通信，實現(xiàn)對芯片的編程和配置。
• PWM：邏輯電平輸入引腳，用于進行 PWM 電流控制，通過調(diào)節(jié) PWM 信號的占空比，可以實現(xiàn)對 LED 亮度的調(diào)節(jié)。
• HWEN：硬件使能輸入引腳，當(dāng)該引腳為高電平時，芯片被使能，可以進行 I2C 寫入或 PWM 控制；當(dāng)該引腳為低電平時，芯片進入低功耗關(guān)機模式。

三、電氣特性與性能指標(biāo)

3.1 絕對最大額定值

芯片的各個引腳都有明確的絕對最大額定值，例如輸入電壓范圍為 -0.3 - 6 - V，輸出過壓檢測輸入為 -0.3 - 40 - V 等。在設(shè)計電路時，必須確保各個引腳的電壓和電流不超過這些額定值，否則可能會導(dǎo)致芯片永久性損壞。

3.2 ESD 額定值

該芯片具有一定的靜電放電（ESD）防護能力，人體模型（HBM）的 ESD 額定值為 ±2000 - V，帶電設(shè)備模型（CDM）的 ESD 額定值為 ±500 - V。在實際使用過程中，還是需要采取適當(dāng)?shù)?ESD 防護措施，以避免芯片受到靜電損壞。

3.3 推薦工作條件

為了確保芯片能夠正常、穩(wěn)定地工作，推薦的輸入電壓范圍為 2.5 - 5.5 - V，過壓檢測輸入為 0 - 38 - V 等。在設(shè)計電源電路時，應(yīng)該盡量滿足這些推薦工作條件。

3.4 典型電氣特性

• 電流匹配和精度：在 50 - μA 到 25 - mA 的 LED 電流范圍內(nèi)，LED 電流匹配精度可達(dá) ±1%，絕對精度可達(dá) ±3%，確保了 LED 燈串之間的亮度一致性。
• 開關(guān)頻率：可選擇 500 - kHz 和 1 - MHz 的開關(guān)頻率，并且可以選擇 -12% 的頻率偏移，以滿足不同的應(yīng)用需求。
• 效率：在典型應(yīng)用電路中，當(dāng)輸入電壓為 3.7 - V，每串 LED 電流為 5 - mA 時，效率可達(dá) 86%，具有較高的能量轉(zhuǎn)換效率。
• 其他特性：還包括 NMOS 開關(guān)導(dǎo)通電阻、過流保護閾值、過壓保護閾值、熱關(guān)斷溫度等特性，這些特性共同保證了芯片的性能和可靠性。

四、功能特性詳解

4.1 使能與啟動

芯片通過 HWEN 引腳進行使能和禁用控制。當(dāng) HWEN 為低電平時，芯片處于禁用狀態(tài)，進入低功耗關(guān)機模式；當(dāng) HWEN 為高電平時，芯片被使能。每個電流沉都有單獨的使能輸入，支持單串或雙串 LED 應(yīng)用。默認(rèn)情況下，兩個燈串都被使能。在芯片啟動時，可以通過設(shè)置芯片使能位、PWM 輸入或?qū)懭肓炼?a href="http://www.brongaenegriffin.com/tags/寄存器/" target="_blank">寄存器來控制 LED 的亮度。

4.2 亮度映射方式

芯片支持線性和指數(shù)兩種亮度映射方式：

• 線性映射：LED 電流與 11 位亮度代碼成比例關(guān)系，計算公式為 (I_{LED}=37.806 mu A + 12.195 mu A × Code)，適用于需要精確控制亮度變化的應(yīng)用場景。
• 指數(shù)映射：LED 電流遵循指數(shù)關(guān)系 (I_{LED}=50 mu A × 1.003040572^{Code})，每個代碼對應(yīng)的 LED 電流步長約為 0.304%，能夠?qū)崿F(xiàn)平滑的亮度變化，視覺效果更佳。

4.3 PWM 輸入特性

• 采樣輸入：PWM 輸入是一個采樣輸入，能夠?qū)⑤斎氲恼伎毡刃畔⑥D(zhuǎn)換為 11 位的亮度代碼，有效消除了傳統(tǒng) PWM 控制 LED 驅(qū)動器中常見的噪聲和電流紋波問題。
• 采樣頻率選擇：支持四種可選的采樣率，選擇采樣率需要綜合考慮所需的 PWM 分辨率、PWM 輸入頻率和效率等因素。較低的采樣率可以降低芯片的靜態(tài)工作電流，提高效率，但可能會影響 PWM 分辨率。
• 滯回設(shè)置：為了防止 PWM 信號的抖動影響 LED 電流，芯片提供了七種可選的滯回設(shè)置，通過設(shè)置滯回值，可以確保在輸入占空比發(fā)生變化時，LED 電流不會出現(xiàn)不必要的振蕩。
• 超時功能：當(dāng) PWM 信號被啟用但沒有檢測到 PWM 脈沖時，芯片的 PWM 超時功能會關(guān)閉升壓輸出，以節(jié)省能量。超時時間根據(jù)所選的 PWM 采樣率而定。

4.4 LED 電流斜坡

芯片提供 8 種可編程的斜坡速率，用于控制 LED 電流從一個設(shè)定點到另一個設(shè)定點的變化時間。斜坡時間取決于電流之間的代碼步數(shù)和編程的每步時間，通過合理設(shè)置斜坡速率，可以實現(xiàn)平滑的亮度漸變效果，避免亮度突變對人眼造成的不適。

4.5 調(diào)節(jié)的裕量電壓

為了優(yōu)化效率、電流精度和燈串間的匹配，LED 電流沉的調(diào)節(jié)裕量電壓（VHR）會根據(jù)目標(biāo) LED 電流進行變化。升壓轉(zhuǎn)換器會將電壓最高的 LED 燈串的陰極作為調(diào)節(jié)點，確保兩個電流沉在任何情況下都能保持穩(wěn)定的電流輸出。

4.6 亮度控制模式

芯片具有四種亮度控制模式：

• 僅 I2C 模式：LED 電流由 I2C 亮度寄存器控制，PWM 輸入被禁用。在這種模式下，需要依次寫入 3 位 LSB 和 8 位 MSB 來實現(xiàn) 11 位電流的完整變化。
• 僅 PWM 模式：LED 亮度僅由 PWM 輸入信號控制，I2C 代碼被忽略。芯片會對 PWM 輸入信號進行采樣，將其占空比轉(zhuǎn)換為 11 位數(shù)字代碼，然后應(yīng)用到內(nèi)部的斜坡器。
• I2C × PWM 后斜坡模式：I2C 亮度代碼與 PWM 占空比相乘得到一個 11 位代碼，然后將該代碼發(fā)送到斜坡器進行電流調(diào)節(jié)，在 I2C 和 PWM 電流變化之間實現(xiàn)斜坡效果。
• I2C × PWM 前斜坡模式：在這種模式下，I2C 亮度代碼和 PWM 占空比的處理順序與上一種模式不同，同樣可以實現(xiàn)亮度的平滑調(diào)節(jié)。

4.7 自動開關(guān)頻率

芯片具有自動開關(guān)頻率功能，能夠根據(jù)負(fù)載電流的大小自動調(diào)整升壓開關(guān)頻率。除了可通過寄存器編程的 500 - kHz 和 1 - MHz 開關(guān)頻率外，自動頻率模式還包含 250 - kHz 的低頻選擇。通過設(shè)置自動頻率高閾值和低閾值寄存器，可以實現(xiàn)不同頻率之間的切換，以優(yōu)化效率。

4.8 I2C 地址選擇

通過 ASEL 引腳可以選擇兩種 I2C 從地址選項，當(dāng) ASEL 接地時，從地址為 0x36；當(dāng) ASEL 接輸入電壓（VIN）時，從地址為 0x37。該引腳在電源上電時（VIN > 1.8 - V 且 HWEN > 高電平閾值電壓）被讀取，上電后不能再更改。

4.9 故障保護與檢測

• 過壓保護（OVP）：提供四種可配置的 OVP 閾值（17 - V、24 - V、31 - V、38 - V），用于監(jiān)測升壓輸出電壓，防止在開路負(fù)載或 LED 燈串電壓過高的情況下，OUT 和 SW 引腳的電壓超過安全工作范圍。當(dāng)檢測到過壓情況時，會根據(jù)不同的條件采取相應(yīng)的保護措施，如禁用升壓電路、設(shè)置故障標(biāo)志等。
• LED 燈串故障檢測：能夠檢測 LED 燈串的開路和短路故障。當(dāng)檢測到 LED 燈串開路時，芯片會設(shè)置相應(yīng)的故障標(biāo)志；當(dāng)檢測到 LED 燈串短路時，也會及時發(fā)出警報。
• 過流保護（OCP）：具有四種可選擇的 OCP 閾值（750 - mA、1000 - mA、1250 - mA、1500 - mA），采用逐周期電流限制方式。當(dāng)檢測到過流情況時，內(nèi)部的 NFET 會在當(dāng)前開關(guān)周期內(nèi)關(guān)閉，以保護芯片免受過流損壞。
• 過熱保護（TSD）：當(dāng)芯片的管芯溫度達(dá)到 135°C 時，會觸發(fā)熱關(guān)斷保護，停止升壓開關(guān)動作，并設(shè)置 TSD 標(biāo)志。當(dāng)管芯溫度冷卻到 120°C 時，升壓功能會自動恢復(fù)。

五、編程與寄存器配置

5.1 I2C 接口操作

芯片通過 I2C 接口進行配置，遵循 I2C 通信協(xié)議的標(biāo)準(zhǔn)操作。在通信過程中，需要注意起始條件、停止條件、地址傳輸和數(shù)據(jù)傳輸?shù)母袷?。起始條件是在 SCL 為高電平時，SDA 從高電平過渡到低電平；停止條件是在 SCL 為高電平時，SDA 從低電平過渡到高電平。I2C 主設(shè)備負(fù)責(zé)生成起始和停止條件，并在數(shù)據(jù)傳輸過程中控制時鐘信號。

5.2 寄存器功能與配置方法

芯片包含多個寄存器，用于控制各種功能和設(shè)置參數(shù)。例如，通過配置亮度控制寄存器可以選擇亮度映射模式、斜坡啟用和速率等；通過配置升壓控制寄存器可以選擇開關(guān)頻率、最小電感選擇、過壓保護閾值和過流保護閾值等。在進行寄存器配置時，需要注意某些寄存器位和寄存器的編程條件，以確保芯片的正常運行。

六、應(yīng)用與設(shè)計實踐

6.1 典型應(yīng)用電路

LM36922H 的典型應(yīng)用電路包括輸入電容、電感、肖特基二極管、輸出電容和 LED 燈串等元件。在設(shè)計電路時，需要根據(jù)具體的應(yīng)用需求選擇合適的元件參數(shù)，以確保電路的性能和穩(wěn)定性。

6.2 元件選擇要點

• 電感：推薦使用 4.7 - μH 到 10 - μH 的電感，選擇時要確保電感的飽和電流額定值能夠滿足應(yīng)用的峰值電感電流要求。同時，根據(jù)所選電感的值，需要設(shè)置最小電感選擇位。
• 輸出電容：輸出電容需要使用陶瓷電容，最小電容值為 0.4 - μF，以確保芯片在整個工作范圍內(nèi)保持穩(wěn)定，避免振蕩。在選擇輸出電容時，還需要考慮電容的容值公差、溫度系數(shù)和直流偏置特性等因素。
• 輸入電容：輸入電容的主要作用是過濾開關(guān)電源電流和電感電流紋波，推薦使用 2.2 - μF 的陶瓷電容。

6.3 PCB 布局注意事項

由于芯片的開關(guān)操作會產(chǎn)生高電壓和大電流變化，因此 PCB 布局對于減少電磁干擾和提高電路性能至關(guān)重要。在布局時，需要注意以下幾點：

• 輸出電容布局：輸出電容應(yīng)盡可能靠近肖特基二極管的陰極和芯片的 GND 引腳，以減少電感和電壓尖峰。
• 肖特基二極管布局：肖特基二極管的陽極應(yīng)靠近 SW 引腳，陰極應(yīng)靠近輸出電容，以降低電感和電壓尖峰。
• 電感布局：電感與 SW 引腳的連接面積應(yīng)盡量小，以減少 PCB 電容耦合。同時，高阻抗節(jié)點應(yīng)遠(yuǎn)離 SW 引腳，避免受到電場耦合的影響。
• 輸入電容布局：輸入電容應(yīng)靠近 IN 引腳和 GND 引腳，以減少電壓尖峰和電流紋波。

七、總結(jié)與建議

LM36922H 是一款功能強大、性能優(yōu)越的雙串白光 LED 驅(qū)動芯片，具有高精度的電流控制、高轉(zhuǎn)換效率、豐富的調(diào)光和保護功能等特點。在實際應(yīng)用中，工程師可以根據(jù)具體的設(shè)計需求，靈活選擇亮度控制模式、開關(guān)頻率和保護閾值等參數(shù)。同時，在元件選擇和 PCB 布局方面，需要嚴(yán)格按照設(shè)計要求進行操作，以確保芯片的性能和可靠性。如果你在使用過程中遇到問題，歡迎在評論區(qū)留言交流，讓我們一起探討如何更好地發(fā)揮這款芯片的優(yōu)勢。