深入剖析LM27964：一款卓越的白光LED驅(qū)動芯片

在當今的電子設(shè)備中，LED照明的應(yīng)用無處不在，從手機屏幕到各種小型顯示設(shè)備，都離不開高效穩(wěn)定的LED驅(qū)動芯片。今天，我們就來深入探討德州儀器（TI）推出的LM27964白光LED驅(qū)動芯片，看看它在實際應(yīng)用中究竟有哪些獨特的優(yōu)勢和特點。

文件下載：lm27964.pdf

一、產(chǎn)品概述

LM27964是一款基于自適應(yīng)1.5x/1x CMOS電荷泵的白光LED驅(qū)動系統(tǒng)，能夠提供高達180mA的總輸出電流。它具有三個可獨立控制的恒流源組，非常適合需要單個白光LED驅(qū)動器來驅(qū)動主顯示屏、副顯示屏以及滿足其他通用照明需求的平臺。其緊密匹配的電流源確保了在整個小尺寸顯示屏上LED亮度的均勻性。

1.1 主要特性

• 高效率：峰值LED驅(qū)動效率可達87%，能有效降低功耗，延長電池續(xù)航時間。
• 高精度電流匹配：電流源之間的電流匹配精度高達0.2%，保證了LED亮度的一致性。
• 多組驅(qū)動能力：可驅(qū)動兩組共6個LED，每組LED的電流最大可達30mA，適用于同時為兩個顯示屏（主LCD和副LCD）提供背光。
• 專用鍵盤LED驅(qū)動：配備專用的鍵盤LED驅(qū)動器，驅(qū)動電流最大可達80mA。
• 獨立可編程電流設(shè)置：通過獨立的電阻可編程電流設(shè)置，用戶可以靈活調(diào)整每個LED組的電流大小。
• I2C兼容亮度控制接口：支持I2C通信協(xié)議，方便用戶獨立控制每個LED組的亮度。
• 寬輸入電壓范圍：支持2.7V至5.5V的擴展鋰離子輸入電壓范圍，適用于各種電源環(huán)境。
• 小尺寸封裝：采用小型低輪廓的行業(yè)標準無鉛封裝WQFN - 24（4mm x 4mm x 0.8mm），節(jié)省電路板空間。

1.2 應(yīng)用領(lǐng)域

• 手機顯示屏照明：為手機的主顯示屏和副顯示屏提供穩(wěn)定的背光。
• 手機鍵盤照明：驅(qū)動手機鍵盤的LED，提供清晰的按鍵照明。
• PDA背光：適用于個人數(shù)字助理（PDA）等設(shè)備的背光需求。
• 通用LED照明：可用于其他各種需要LED照明的場合。

二、技術(shù)細節(jié)分析

2.1 電荷泵工作原理

LM27964的電荷泵輸入連接到(V{IN})引腳，其調(diào)節(jié)后的輸出連接到(V{OUT})引腳。該芯片的推薦輸入電壓范圍為3.0V至5.5V，其調(diào)節(jié)后的電荷泵具有開環(huán)和閉環(huán)兩種工作模式。

• 開環(huán)模式：在開環(huán)模式下，(V_{OUT})引腳的電壓等于增益乘以輸入電壓。
• 閉環(huán)模式：在閉環(huán)模式下，(V_{OUT})引腳的電壓被調(diào)節(jié)到4.6V（典型值）。電荷泵的增益轉(zhuǎn)換會根據(jù)LED的正向電壓和負載要求進行主動選擇，以確保在盡可能寬的輸入電壓范圍內(nèi)保持最高效率的增益（1x），從而減少電池的功耗。

2.2 LED正向電壓監(jiān)測

LM27964能夠根據(jù)LED負載的正向電壓切換轉(zhuǎn)換器的增益（1x或3/2x），這種增益切換能力可以最大限度地提高給定負載下的效率。正向電壓監(jiān)測發(fā)生在BankA和BankB的所有二極管引腳（DKEY引腳不進行監(jiān)測）。

• 高輸入電壓情況：在較高的輸入電壓下，LM27964將工作在直通模式，使(POUT)電壓跟蹤輸入電壓。
• 輸入電壓下降情況：隨著輸入電壓的下降，DXX引腳的電壓也會下降（(V{DXX }=V{POUT }-V_{LEDX })）。當任何一個激活的Dxx引腳的電壓降至約375mV時，電荷泵將切換到3/2的增益，以確保LED電流不會因電流源的裕量不足而被切斷。

2.3 I2C兼容接口

LM27964的I2C兼容接口用于啟用和調(diào)節(jié)各個電流源組的亮度。在使用該接口時，需要注意以下幾點：

• 數(shù)據(jù)有效性：SDIO線上的數(shù)據(jù)在時鐘信號（SCL）的高電平期間必須保持穩(wěn)定，即數(shù)據(jù)狀態(tài)只能在CLK為低電平時改變。
• 起始和停止條件：起始條件定義為SDIO信號在SCL線為高電平時從高電平轉(zhuǎn)換為低電平，停止條件定義為SDIO在SCL為高電平時從低電平轉(zhuǎn)換為高電平。I2C主設(shè)備始終負責生成起始和停止條件。
• 數(shù)據(jù)傳輸：每個放在SDIO線上的字節(jié)必須為8位長，且最高有效位（MSB）先傳輸。每個字節(jié)的數(shù)據(jù)后面都必須跟隨一個確認位，確認相關(guān)的時鐘脈沖由主設(shè)備生成。

2.4 內(nèi)部寄存器

LM27964具有多個內(nèi)部寄存器，用于控制不同LED組的開關(guān)和亮度。

• 通用寄存器（10h）：用于啟用或禁用不同的LED驅(qū)動器，如ENA用于啟用主顯示屏的DxA LED驅(qū)動器，ENB用于啟用副顯示屏的DxB LED驅(qū)動器，ENK用于啟用鍵盤驅(qū)動器。
• Bank A和Bank B亮度控制寄存器（A0h）：用于設(shè)置DxA和DxB LED驅(qū)動器的電流水平，提供16級PWM亮度控制。
• 鍵盤亮度控制寄存器（B0h）：用于設(shè)置鍵盤驅(qū)動器（DKEY）的亮度，提供4級模擬亮度控制。

三、應(yīng)用設(shè)計要點

3.1 設(shè)置LED電流

通過在LM27964的(SETX)引腳和GND之間連接一個適當大小的電阻((R_{SETx }))，可以將連接到DxA、DxB和DKEY的LED電流設(shè)置為所需的水平。具體的電流計算公式如下：

• (I{DXA / B}=200 timesleft(V{ISET } / R_{SETAB }right))
• (R{SETA/B }=200 timesleft(1.25 V / I{D x A / B}right))
• (I{DKEY }=800 timesleft(V{ISET } / R_{SETK }right))
• (R{SETK }=800 timesleft(1.25 V / I{DKEY }right))

選擇好所需的(R_{SETx })值后，LM27964可以通過脈沖寬度調(diào)制（PWM）對LED進行內(nèi)部調(diào)光。BankA和BankB的LED可以調(diào)至16種不同的亮度級別，內(nèi)部PWM頻率根據(jù)型號不同可為10kHz（LM27964SQ - I）或23kHz（LM27964SQ - C）。DKEY電流源使用模擬電流縮放方法來控制LED亮度，亮度級別為100%（滿量程）、70%、40%和20%。

3.2 最大輸出電流和電壓限制

LM27964在輸入電壓低至3.2V時，能夠驅(qū)動4個每個30mA的LED（BankA）和12個每個5mA的鍵盤LED（DKEY處總計60mA），前提是LED的正向電壓在3.6V或更低（室溫下）。其最大輸出電流能力可以通過以下公式估算： [DMAX =left[left(1.5 × V{IN}right)-V{LED }-left(I{ADDITIONAL } × R{OUT }right)right] /left[left(N{x} × R{OUT }right)+k{HRx}right]]

其中，(I{ADDITIONAL})是可以輸送到其他LED組的額外電流，(R{out})是輸出電阻（典型值為2.75Ω），(k_{HR})是裕量常數(shù)（典型值為12mV/mA）。最大LED電流高度依賴于最小輸入電壓和LED正向電壓，通過提高應(yīng)用的最小輸入電壓或選擇正向電壓較低的LED，可以增加輸出電流能力。

3.3 并聯(lián)輸出連接

輸出D1A - 4A或D1B - D2B可以連接在一起，以更高的電流驅(qū)動一個或兩個LED。在這種配置下，所有四個相等值的并聯(lián)電流源（BankA）可以驅(qū)動一個LED。選擇BankA的LED電流時，應(yīng)使每個輸出的電流編程為所需總LED電流的25%。同樣的RSETx選擇準則也適用于BankB的二極管。

3.4 電源效率和功耗計算

LED驅(qū)動器的效率通常定義為LED消耗的功率((P{LED }))與芯片輸入功率((P{IN}))的比值。對于LM27964，可以通過以下公式預測其效率：

• (P{LEDTOTAL}=left(V{LEDA} × N{A} × I{LEDA}right)+left(V{LEDB} × N{B} × I{LEDB}right)+left(V{LEDK} × N{K} × I{LEDK}right))
• (P{IN}=V{IN} × I_{IN})
• (I{IN}=V{IN} timesleft( GAIN × I{LEDTOTAL }+I{O}right))
• (eta=left(P{LEDTOTAL } ÷ P{IN }right))

需要注意的是，這里定義的效率部分取決于LED電壓，LED電壓的變化不會影響電路消耗的功率，通常也與LED的亮度無關(guān)。為了進行更精確的分析，建議評估電路消耗的功率((V{IN} ×I{IN}))而不是功率效率。

芯片的功耗(( P{DISS }))和結(jié)溫((T{J}))可以通過以下公式近似計算：

• (P{DISS}=left( GAIN × V{IN} × I{LEDA }+I{LEDB }+ I{LEDK }right)-left(V{LEDA } × N{A} × I{LEDA }right)-left(V{LEDB } × N{B} × I{LEDB }right)-left(V{LEDK } × N{K} × I{LEDK }right))
• (T{J} = T{A} + (P{DISS} times theta{JA}))

其中，(T{A})是環(huán)境溫度，(theta{JA})是WQFN - 24封裝的結(jié)到環(huán)境的熱阻（典型值為41.3°C/W）。結(jié)溫額定值優(yōu)先于環(huán)境溫度額定值，只要芯片的結(jié)溫不超過最大工作額定值100°C，LM27964可以在環(huán)境溫度額定值之外工作。

3.5 電容選擇

LM27964正常工作需要4個外部電容（(C{1}=C{2}=1 mu F)，(C{IN}=C{OUT}=2.2 mu F)），建議使用表面貼裝多層陶瓷電容，因為它們體積小、價格便宜且等效串聯(lián)電阻（ESR）非常低（典型值<20mΩ）。不建議使用鉭電容、OS - CON電容和鋁電解電容，因為它們的ESR較高。對于大多數(shù)應(yīng)用，建議使用具有X7R或X5R溫度特性的陶瓷電容，因為它們具有緊密的電容公差（可達±10%），并且在溫度變化時電容值保持穩(wěn)定。

3.6 PCB布局考慮

WQFN是一種基于引線框架的芯片級封裝（CSP），具有良好的熱性能。該封裝在中心有一個暴露的DAP（芯片附著墊），尺寸為2.6mm x 2.5mm。在進行PCB布局時，TI強烈建議封裝和PCB熱焊盤之間采用1:1的比例。為了進一步提高熱導率，PCB熱焊盤可以包括通向接地平面的過孔。

四、總結(jié)

LM27964作為一款高性能的白光LED驅(qū)動芯片，憑借其高效率、高精度電流匹配、多組驅(qū)動能力以及靈活的亮度控制接口等特點，在手機、PDA等小型電子設(shè)備的LED照明應(yīng)用中具有顯著的優(yōu)勢。在實際應(yīng)用設(shè)計中，工程師需要根據(jù)具體的需求和參數(shù)，合理設(shè)置LED電流、選擇合適的電容和進行優(yōu)化的PCB布局，以確保芯片能夠發(fā)揮出最佳的性能。同時，要注意芯片的最大輸出電流、電壓限制以及功耗和熱管理等問題，以保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。你在使用類似的LED驅(qū)動芯片時遇到過哪些問題呢？歡迎在評論區(qū)分享你的經(jīng)驗和見解。