深入解析LED7706：LCD面板背光驅(qū)動(dòng)的理想之選

引言

在LCD面板背光驅(qū)動(dòng)領(lǐng)域，LED7706以其卓越的性能和豐富的功能脫穎而出。它專為L(zhǎng)CD面板背光設(shè)計(jì)，集成了高效的升壓轉(zhuǎn)換器和六個(gè)可控電流發(fā)生器，能夠?yàn)長(zhǎng)ED陣列提供穩(wěn)定可靠的驅(qū)動(dòng)。本文將深入剖析LED7706的特性、工作原理、應(yīng)用信息等方面，為電子工程師們?cè)?a href="http://m.makelele.cn/soft/data/61-62/" target="_blank">設(shè)計(jì)相關(guān)產(chǎn)品時(shí)提供全面的參考。

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一、LED7706概述

1.1 產(chǎn)品特性

LED7706具有眾多出色的特性，使其在LCD面板背光驅(qū)動(dòng)市場(chǎng)中占據(jù)一席之地。

• 升壓部分：輸入電壓范圍為4.5V至36V，內(nèi)部集成功率MOSFET和+5V LDO為設(shè)備供電，輸出電壓最高可達(dá)36V。采用恒定頻率峰值電流模式控制，開關(guān)頻率可在250kHz至1MHz之間調(diào)節(jié)，還支持外部同步，適用于多設(shè)備應(yīng)用。具備脈沖跳過(guò)節(jié)能模式、可編程軟啟動(dòng)和過(guò)壓保護(hù)功能，使用陶瓷輸出電容時(shí)穩(wěn)定可靠，并有熱關(guān)斷保護(hù)。
• 背光驅(qū)動(dòng)部分：擁有六個(gè)行，最大電流能力為30mA且可調(diào)節(jié)，支持行禁用選項(xiàng)。最小調(diào)光導(dǎo)通時(shí)間小于500ns，在20kHz時(shí)最小調(diào)光占空比可達(dá)1%，行與行之間的電流匹配精度在±2%以內(nèi)，還能檢測(cè)LED故障（開路和短路）。

1.2 應(yīng)用領(lǐng)域

LED7706廣泛應(yīng)用于LCD顯示器和電視面板、PDA面板背光以及GPS面板背光等領(lǐng)域，為這些設(shè)備的背光提供了優(yōu)質(zhì)的解決方案。

二、電氣數(shù)據(jù)與特性

2.1 最大額定值

了解LED7706的最大額定值對(duì)于正確使用和保護(hù)設(shè)備至關(guān)重要。其各引腳的電壓、電流等參數(shù)都有明確的限制，例如AVCC至SGND的電壓范圍為 -0.3V至6V，內(nèi)部開關(guān)最大RMS電流為2.0A，功率耗散在TA = 25°C時(shí)為2.3W等。超過(guò)這些絕對(duì)最大額定值可能會(huì)對(duì)設(shè)備造成永久性損壞，影響其可靠性。

2.2 熱數(shù)據(jù)

熱數(shù)據(jù)方面，LED7706的熱阻結(jié)到環(huán)境為42°C/W，存儲(chǔ)溫度范圍為 -50°C至150°C，結(jié)工作溫度范圍為 -40°C至150°C。在設(shè)計(jì)應(yīng)用時(shí)，需要考慮這些熱數(shù)據(jù)，以確保設(shè)備在合適的溫度環(huán)境下正常工作。

2.3 電氣特性

電氣特性涵蓋了多個(gè)方面，包括輸入電壓范圍、升壓部分輸出電壓、LDO輸出和IC供電電壓、工作靜態(tài)電流、開關(guān)頻率等。例如，輸入電壓范圍為4.5V至36V，默認(rèn)開關(guān)頻率在FSW連接到AVCC時(shí)為570kHz至750kHz等。這些特性為工程師在設(shè)計(jì)電路時(shí)提供了具體的參數(shù)依據(jù)。

三、工作原理

3.1 升壓部分

3.1.1 功能描述

升壓部分基于恒定開關(guān)頻率、峰值電流模式架構(gòu)。輸入電壓范圍為4.5V至36V，內(nèi)部LDO為設(shè)備內(nèi)部電路供電，最大可提供40mA電流。升壓輸出電壓通過(guò)控制，使最低行的電壓（相對(duì)于SGND）等于內(nèi)部參考電壓（典型值為400mV）。通過(guò)主環(huán)路和內(nèi)部電流環(huán)路共同調(diào)節(jié)電流，主環(huán)路采用恒定頻率峰值電流模式架構(gòu)調(diào)節(jié)為L(zhǎng)ED供電的電源軌，內(nèi)部電流環(huán)路根據(jù)設(shè)定值（RILIM引腳）調(diào)節(jié)每行的電流。

3.1.2 啟用功能

通過(guò)EN引腳啟用LED7706，該引腳為高電平有效。當(dāng)連接到SGND時(shí)，設(shè)備關(guān)閉，此時(shí)功耗僅為20μA。在某些應(yīng)用中，可將EN引腳連接到DIM引腳，利用調(diào)光信號(hào)來(lái)控制設(shè)備的開關(guān)。

3.1.3 軟啟動(dòng)

軟啟動(dòng)功能對(duì)于系統(tǒng)的正確啟動(dòng)至關(guān)重要，它可以控制為輸出電容充電所需的浪涌電流，避免輸出電壓過(guò)沖。通過(guò)在SS引腳和地之間連接外部電容來(lái)設(shè)置軟啟動(dòng)持續(xù)時(shí)間，電容以5μA（典型值）的恒定電流充電，當(dāng)SS引腳電壓從0上升到近1.2V時(shí)，功率MOSFET的電流限制從0逐步釋放到最終值。在軟啟動(dòng)開始階段，開關(guān)頻率降低到標(biāo)稱值的一半，當(dāng)SS引腳電壓超過(guò)0.8V時(shí)恢復(fù)標(biāo)稱開關(guān)頻率。

3.1.4 過(guò)壓保護(hù)

提供可調(diào)的過(guò)壓保護(hù)功能，通過(guò)將輸出電壓的分壓提供給OVSEL引腳來(lái)設(shè)置過(guò)壓閾值。當(dāng)OVSEL引腳電壓超過(guò)OV閾值時(shí)，F(xiàn)AULT引腳拉低，設(shè)備關(guān)閉，此狀態(tài)被鎖存，需通過(guò)切換EN引腳或執(zhí)行上電復(fù)位來(lái)重啟設(shè)備。在選擇分壓電阻時(shí)，應(yīng)盡量選擇高阻值（但低于1MΩ）的上拉電阻，以減少升壓轉(zhuǎn)換器關(guān)閉時(shí)輸出電容的放電。

3.1.5 開關(guān)頻率選擇和同步

開關(guān)頻率可通過(guò)將FSW引腳通過(guò)電阻連接到地在250kHz至1MHz范圍內(nèi)設(shè)置，計(jì)算公式為RFSW = FSW / 2.5，且電阻值應(yīng)在100kΩ至400kΩ范圍內(nèi)。當(dāng)FSW引腳連接到AVCC時(shí)，采用默認(rèn)的660kHz固定開關(guān)頻率。FSW引腳還可作為同步輸入，使LED7706可作為主設(shè)備或從設(shè)備工作，外部時(shí)鐘信號(hào)頻率需大于210kHz，信號(hào)需超過(guò)270mV閾值才能被識(shí)別，最小脈沖寬度為270ns。SYNC引腳為同步輸出，作為主設(shè)備時(shí)提供35%（典型值）占空比的時(shí)鐘，作為從設(shè)備時(shí)為FSW引腳的復(fù)制品。

3.1.6 斜率補(bǔ)償

恒定頻率、峰值電流模式拓?fù)湓谡伎毡却笥?.5時(shí)存在固有開環(huán)不穩(wěn)定性，即“次諧波不穩(wěn)定”。通過(guò)在SLOPE引腳和輸出之間連接簡(jiǎn)單電阻RSLOPE進(jìn)行斜率補(bǔ)償，可避免這種不穩(wěn)定現(xiàn)象。補(bǔ)償斜坡在每個(gè)開關(guān)周期的35%（典型值）開始，其斜率計(jì)算公式為SE = KS((VOUT - VIN - VBE) / RSLOPE)，其中KS = 5.8×101? s?1，VBE = 2V（典型值）。為避免次諧波不穩(wěn)定，補(bǔ)償斜率應(yīng)至少為占空比大于50%時(shí)電感電流在關(guān)斷階段斜率的一半，RSLOPE的計(jì)算式為RSLOPE ≤ 2×KS×L×(VOUT - VIN - VBE) / (VOUT - VIN)。

3.1.7 升壓電流限制

通過(guò)在BILIM引腳和地之間連接簡(jiǎn)單電阻設(shè)置升壓電流限制，BILIM引腳電壓內(nèi)部固定為1.23V，電流限制與設(shè)置電阻中的電流成正比，計(jì)算公式為IBOOST,PEAK = KB / RBILIM，其中KB = 6×10? V。最大允許電流限制為5A，對(duì)應(yīng)最小設(shè)置電阻RBILIM > 120kΩ，功率開關(guān)中最大保證RMS電流為2A。電流限制通過(guò)按比例鉗位COMP引腳電壓來(lái)實(shí)現(xiàn)，電感峰值電流限制為上述閾值減去斜率補(bǔ)償貢獻(xiàn)。

3.1.8 熱保護(hù)

為避免因結(jié)溫過(guò)高損壞設(shè)備，采用熱關(guān)斷保護(hù)。當(dāng)結(jié)溫超過(guò)150°C（典型值）時(shí)，設(shè)備關(guān)閉控制邏輯和升壓轉(zhuǎn)換器，F(xiàn)AULT引腳拉低，LDO保持工作，結(jié)溫降低30°C后自動(dòng)恢復(fù)正常工作。

3.2 背光驅(qū)動(dòng)部分

3.2.1 電流發(fā)生器

LED7706有六個(gè)通道（行），每行可驅(qū)動(dòng)多個(gè)串聯(lián)的LED（最大36V），最大電流可達(dá)30mA。通過(guò)在RILIM引腳和地之間連接外部電阻RRILIM設(shè)置LED電流，RILIM引腳電壓內(nèi)部設(shè)置為1.23V，行電流計(jì)算公式為IROWx = KR / RRILIM，其中KR = 987V。行與行之間的最大電流失配在Irowx = 20mA時(shí)為±2%。

3.2.2 PWM調(diào)光

通過(guò)對(duì)行電流進(jìn)行脈沖寬度調(diào)制實(shí)現(xiàn)LED亮度控制。當(dāng)PWM信號(hào)施加到DIM引腳時(shí)，電流發(fā)生器根據(jù)DIM引腳狀態(tài)開關(guān)。最小調(diào)光占空比取決于調(diào)光頻率，計(jì)算公式為DDIM min = 500ns×fDIM，例如在20kHz調(diào)光頻率下，可實(shí)現(xiàn)1%的調(diào)光占空比。PWM信號(hào)關(guān)斷階段，升壓轉(zhuǎn)換器暫停，電流發(fā)生器關(guān)閉，由于輸出電容放電相對(duì)緩慢，輸出電壓可視為幾乎恒定。在啟動(dòng)序列中，調(diào)光占空比強(qiáng)制為100%，以檢測(cè)浮動(dòng)行。

3.3 故障管理

3.3.1 FAULT引腳

FAULT引腳為開集電極輸出，電流能力為4mA，低電平有效，用于提供檢測(cè)到的故障信息，可驅(qū)動(dòng)狀態(tài)LED或警告主機(jī)系統(tǒng)，其狀態(tài)與MODE引腳設(shè)置密切相關(guān)。

3.3.2 MODE引腳

3.3.3 開路LED故障

當(dāng)一行未連接或LED開路時(shí)，根據(jù)MODE引腳狀態(tài)有不同行為。MODE引腳連接到SGND時(shí)，檢測(cè)到開路行后FAULT引腳拉低，設(shè)備關(guān)閉，需通過(guò)切換EN引腳或執(zhí)行上電復(fù)位恢復(fù)正常工作。MODE引腳連接到AVCC時(shí)，開路行從控制環(huán)路中排除，設(shè)備繼續(xù)使用其余行正常工作，F(xiàn)AULT引腳不受影響。

3.3.4 短路LED故障

當(dāng)LED短路時(shí)，相關(guān)電流發(fā)生器兩端電壓增加，等于故障LED的缺失壓降。設(shè)備通過(guò)將每個(gè)有源發(fā)生器的反饋電壓與故障閾值VTH,FAULT比較來(lái)檢測(cè)故障，并根據(jù)MODE引腳狀態(tài)采取相應(yīng)措施。MODE引腳為低電平時(shí)，故障閾值為3.4V，超過(guò)該閾值時(shí)FAULT引腳拉低，設(shè)備關(guān)閉；MODE引腳連接到AVCC時(shí)，故障閾值為6V，LED7706斷開電壓高于閾值的行，F(xiàn)AULT引腳拉低。

四、應(yīng)用信息

4.1 系統(tǒng)穩(wěn)定性

4.1.1 環(huán)路補(bǔ)償

升壓部分為固定頻率、電流模式轉(zhuǎn)換器，正常工作時(shí)，最小電壓選擇電路比較所有有源電流發(fā)生器的電壓降，將最小值提供給誤差放大器，誤差放大器輸出電壓決定電感峰值電流，使反相輸入等于參考電壓（典型值為400mV）。補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)由COMP引腳和地之間的簡(jiǎn)單RC串聯(lián)（RCOMP - CCOMP）組成，計(jì)算RCOMP和CCOMP對(duì)于實(shí)現(xiàn)升壓轉(zhuǎn)換器的最佳環(huán)路穩(wěn)定性和動(dòng)態(tài)性能至關(guān)重要，且與工作條件密切相關(guān)。

• 首先確定開關(guān)頻率，較高的開關(guān)頻率可減小電感尺寸，提高轉(zhuǎn)換器動(dòng)態(tài)響應(yīng)帶寬，但會(huì)增加開關(guān)損耗。對(duì)于大多數(shù)應(yīng)用，660kHz的固定值是功耗和動(dòng)態(tài)響應(yīng)之間的良好折衷，還可節(jié)省外部電阻。
• 為避免DC - DC轉(zhuǎn)換器環(huán)路與電流發(fā)生器環(huán)路相互作用導(dǎo)致不穩(wěn)定，升壓帶寬不應(yīng)超過(guò)電流發(fā)生器帶寬，單位增益頻率（fU）在30 - 40kHz范圍內(nèi)可接受，同時(shí)需注意不超過(guò)CCM模式右半平面零點(diǎn)（RHPZ）。計(jì)算公式為fU ≤ 0.2×FSW和fU ≤ 0.2×(M2R / (2π×L))，其中M = VIN,min / VOUT，R = VOUT / IOUT。
• 輸出電容選擇應(yīng)考慮輸出電壓紋波，計(jì)算公式為COUT > ((IL,peak - IOUT)×TOFF) / (2×ΔVOUT,max)，其中ΔVOUT,max為最大可接受輸出電壓紋波，IL,peak為電感峰值電流，TOFF為開關(guān)周期的關(guān)斷時(shí)間。
• 確定輸出電容后，計(jì)算RCOMP = (2π×fU×C) / (GM×gEA×M)，其中GM = 2.7S，gEA = 375μS。然后確定CCOMP，使補(bǔ)償零點(diǎn)頻率為環(huán)路帶寬的五分之一，即CCOMP = 1 / (2π×fZ×RCOMP)，其中fZ = fU / 5。在大多數(shù)應(yīng)用中，實(shí)驗(yàn)方法也很有效，可選擇CCOMP = 4.7nF，用10kΩ微調(diào)電阻代替RCOMP，調(diào)整其值以適當(dāng)阻尼輸出瞬態(tài)響應(yīng)。

4.2 熱考慮

為防止設(shè)備超過(guò)熱關(guān)斷閾值（150°C），需通過(guò)公式TJ = TAmb + Rth,JA×PD,tot估算結(jié)溫，其中TA為環(huán)境溫度，Rth,JA為結(jié)到環(huán)境的等效熱阻（在應(yīng)用演示板上測(cè)量為42°C/W），PD,tot為設(shè)備耗散的功率。PD,tot有多個(gè)貢獻(xiàn)因素：

• 內(nèi)部功率開關(guān)的傳導(dǎo)損耗：PD,cond = RDSon×IIN2×D×DDIM，其中D = 1 - (VIN / VOUT)，DDIM為PWM調(diào)光信號(hào)的占空比。
• 功率MOSFET開關(guān)損耗：PD,sw = VOUT×IIN×fsw×((tr + tf) / 2)×DDIM，其中tr和tf分別為功率MOSFET的上升時(shí)間和下降時(shí)間。
• 電流發(fā)生器損耗：主電流發(fā)生器損耗PGEN,Master = IROW×VIFB×DDIM，其他電流發(fā)生器損耗PGEN = IROW×(nROWs - 1)×(VIFB + ΔVf,LEDs×nLEDs)×DDIM，其中nROWs為有源行數(shù)，ΔVf,LEDs為L(zhǎng)ED正向電壓的擴(kuò)展，nLEDs為每行的LED數(shù)量。
• LDO損耗：PD,LDO = (VIN - VLDO)×ILDO。

4.3 組件選擇

4.3.1 電感選擇

電感選擇需考慮傳導(dǎo)損耗（DCR）、磁芯損耗（鐵氧體或鐵粉）、飽和電流和磁通量屏蔽（磁芯形狀和技術(shù)）等參數(shù)。LED7706開關(guān)頻率可在200kHz至1MHz范圍內(nèi)設(shè)置，低開關(guān)頻率導(dǎo)致高電感值，會(huì)增加DCR和尺寸；高開關(guān)頻率會(huì)增加磁芯損耗。建議電感值范圍為4.7 - 22μH，對(duì)于660kHz開關(guān)頻率的應(yīng)用，6.8μH電感是合適選擇，推薦的電感型號(hào)有Coilcraft的LPS6235 - 682MLC和Wurth的7440650068。

4.3.2 電容器選擇

輸入和輸出電容應(yīng)選用低ESR的陶瓷電容，以最小化紋波電壓。升壓轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)支持陶瓷電容，所需電容值取決于編程的LED電流和最小調(diào)光頻率?？紤]最壞情況（200Hz調(diào)光頻率和30mA/通道），兩個(gè)2.2μF MLCC適用于大多數(shù)應(yīng)用。選擇輸出電容時(shí)需注意額定電壓和介電類型，50V額定MLCC在偏置時(shí)可能出現(xiàn)顯著電容下降，尤其是Y5V介電類型。輸入電容雖不太關(guān)鍵，但可減少電源軌上的開關(guān)噪聲，對(duì)內(nèi)部LDO也很重要，應(yīng)盡量靠近芯片，推薦使用10μF X5R MLCC，如Taiyo Yuden的UMK325BJ106KM - T和Murata的GRM31CR71H225KA88B、GRM31CR71H475KA88B。

4.3.3 續(xù)流二極管選擇

續(xù)流二極管應(yīng)選用肖特基類型以最小化損耗，該組件承受的平均電流等于輸出電流，需承受最大輸出軌電壓。考慮所有通道每個(gè)通道吸收30mA（即180mA輸出電流）和最大輸出電壓（36V），STP1L40M（If,ave = 1A，Vr = 40V）二極管是不錯(cuò)選擇，對(duì)于輸出電壓和/或輸出電流較低的應(yīng)用，可使用較小的二極管。

4.4 設(shè)計(jì)示例

以15” LCD面板的LED背光應(yīng)用為例，介紹設(shè)計(jì)步驟：

• 開關(guān)頻率設(shè)置：為減少外部組件數(shù)量，將FSW引腳連接到AVCC引腳，選擇默認(rèn)開關(guān)頻率（典型值為660kHz）。若需要不同開關(guān)頻率，可根據(jù)公式RFSW = FSW / 2.5連接FSW引腳和地之間的電阻。
• 行電流設(shè)置：根據(jù)公式RRILIM = KR / IROW計(jì)算RILIM電阻，已知KR = 987V，IROW = 20mA，計(jì)算得RRILIM = 49.35kΩ，選擇最接近的標(biāo)準(zhǔn)商業(yè)值51kΩ，實(shí)際行電流略低（19.3mA）。
• 電感選擇：升壓部分根據(jù)負(fù)載電流、輸入和輸出電壓等參數(shù)可工作在CCM（連續(xù)導(dǎo)通模式）或D