MAX25560：六通道LED背光驅(qū)動(dòng)的技術(shù)解析與應(yīng)用指南

在汽車(chē)顯示等領(lǐng)域，LED背光驅(qū)動(dòng)的性能對(duì)于顯示效果起著關(guān)鍵作用。今天我們就來(lái)詳細(xì)剖析Analog Devices的MAX25560，一款六通道LED背光驅(qū)動(dòng)與升壓控制器的集成芯片。

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產(chǎn)品概述

MAX25560是一款具備集成電流模式升壓控制器的六通道LED背光驅(qū)動(dòng)器。它的開(kāi)關(guān)頻率范圍在400kHz至2.2MHz之間，還集成了擴(kuò)頻功能，可有效降低電磁干擾（EMI）。輸出通道可選相移功能進(jìn)一步增強(qiáng)了其在EMI抑制方面的表現(xiàn)。每個(gè)通道能夠提供高達(dá)220mA的電流，憑借獨(dú)特的輸入電壓切換方案，即使在極低的電池電壓下也能穩(wěn)定工作。該芯片擁有廣泛的診斷功能和I2C接口，采用緊湊的TQFN封裝，工作溫度范圍為 -40°C至 +125°C。

應(yīng)用場(chǎng)景

• 汽車(chē)儀表盤(pán)：為儀表盤(pán)提供穩(wěn)定、均勻的背光，確保在各種環(huán)境下都能清晰顯示信息。
• 汽車(chē)中央信息顯示屏：滿足高分辨率顯示屏的背光需求，提升顯示質(zhì)量。
• 汽車(chē)抬頭顯示：為抬頭顯示系統(tǒng)提供可靠的背光支持。

優(yōu)勢(shì)與特性

• 寬輸入電壓范圍：電池輸入低至3V時(shí)仍能維持5V柵極驅(qū)動(dòng)，適應(yīng)不同的電源環(huán)境。
• 靈活的工作模式：升壓或SEPIC電流模式DC - DC控制器，可根據(jù)具體應(yīng)用選擇合適的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。
• 頻率范圍與擴(kuò)頻：400kHz至2.2MHz的工作頻率范圍，可選擴(kuò)頻功能，降低EMI。
• 高輸出電流與低調(diào)節(jié)電壓：每串高達(dá)220mA的輸出電流，低OUT_調(diào)節(jié)電壓，保證LED的穩(wěn)定工作。
• 多模式調(diào)光：支持高達(dá)16667:1的調(diào)光比，具備外部或內(nèi)部（I2C）調(diào)光以及混合調(diào)光模式。
• 集成電荷泵：驅(qū)動(dòng)串聯(lián)nMOSFET，簡(jiǎn)化電路設(shè)計(jì)。
• 溫度保護(hù)：通過(guò)外部NTC溫度傳感器實(shí)現(xiàn)溫度折返功能，保障芯片在高溫環(huán)境下的可靠性。
• 快速啟動(dòng)：可通過(guò)EN引腳實(shí)現(xiàn)無(wú)需I2C干預(yù)的快速啟動(dòng)。
• 豐富的診斷功能：FLTB輸出提供多種診斷信息，如LED短路、開(kāi)路、輸入過(guò)流等。

電氣特性

電源相關(guān)

• BATT工作電壓范圍：正常工作時(shí)為4.5V至36V，啟動(dòng)后在100ms的最大持續(xù)時(shí)間內(nèi)可低至3V。
• BATT靜態(tài)電流：無(wú)開(kāi)關(guān)時(shí)典型值為2.3mA，關(guān)斷時(shí)為4μA至10μA。
• BATT欠壓鎖定：上升閾值為4.1V至4.35V，下降閾值為2.77V至2.95V。

調(diào)節(jié)器相關(guān)

• V18調(diào)節(jié)器：輸出電壓在無(wú)負(fù)載時(shí)為1.72V至1.88V，電流限制為50mA，欠壓鎖定閾值為1.6V至1.7V。
• V5調(diào)節(jié)器：輸出電壓在特定條件下為4.8V至5.2V，壓降為0.18V至0.3V，欠壓鎖定閾值為3.75V至4.05V。

其他特性

• 振蕩器頻率：可編程范圍為400kHz至2200kHz，可通過(guò)RT引腳連接的電阻進(jìn)行設(shè)置。
• 頻率抖動(dòng)：高設(shè)置時(shí)為±6%，低設(shè)置時(shí)為±4%。
• 同步功能：可與外部時(shí)鐘同步，同步頻率范圍為400kHz至2200kHz。

功能詳解

欠壓鎖定

芯片具備三個(gè)欠壓電路，分別監(jiān)測(cè)BATT的輸入電壓以及V5和V18內(nèi)部LDO穩(wěn)壓器的輸出。只有當(dāng)BATT、V5和V18超過(guò)各自的欠壓鎖定（UVLO）閾值時(shí)，背光升壓功能才能啟用。

低壓運(yùn)行

在升壓軟啟動(dòng)完成后，即使BATT電壓低于5V，MAX25560仍能繼續(xù)工作，并維持NDRV處外部MOSFET的5V驅(qū)動(dòng)。當(dāng)BATT電壓降至VBATT_LVF時(shí)，V5穩(wěn)壓器將輸入從BATT切換到BOOST，升壓轉(zhuǎn)換器的電流限制自動(dòng)增加到VCSP_LV，若開(kāi)關(guān)頻率大于1.4MHz則會(huì)降低。只要BOOST上的電壓高于VBATT_LVF，切換就會(huì)發(fā)生。在這種模式下，如果連續(xù)四個(gè)周期超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)電流限制，將啟動(dòng)一個(gè)100ms的定時(shí)器，定時(shí)器到期后電流限制恢復(fù)到原始值。

輸入電流監(jiān)測(cè)

通過(guò)在BATT和SENSE之間連接外部感測(cè)電阻實(shí)現(xiàn)輸入過(guò)流保護(hù)。在啟動(dòng)的2ms NGATE開(kāi)啟階段后，如果感測(cè)電阻兩端的電壓超過(guò)200mV且持續(xù)時(shí)間大于4μs，升壓轉(zhuǎn)換器將被鎖定關(guān)閉，DIAG2_REG寄存器中的ISNS_SD位將被設(shè)置，F(xiàn)LTB引腳將被拉低?？赏ㄟ^(guò)設(shè)置DIS_ISNS_SD位為1來(lái)禁用此關(guān)機(jī)功能，此時(shí)檢測(cè)到輸入過(guò)流時(shí)設(shè)備將繼續(xù)運(yùn)行，ISNS_SD位被設(shè)置，但FLTB不會(huì)拉低。要重新啟用設(shè)備，可切換電源、EN輸入引腳或ENA位。

振蕩器頻率與外部同步

內(nèi)部振蕩器頻率可通過(guò)連接在RT引腳和GND之間的定時(shí)電阻（RRT）在400kHz至2.2MHz之間進(jìn)行編程。計(jì)算公式為： [R{R T}=frac{26130}{f{S W}}+0.33] 其中 (R{RT}) 單位為kΩ， (f{SW}) 單位為kHz。若RT電阻值過(guò)低或引腳短路到GND，升壓轉(zhuǎn)換器將無(wú)法啟動(dòng)，F(xiàn)LTB引腳將變低。 要將振蕩器與外部時(shí)鐘同步，需將外部時(shí)鐘AC耦合到RT輸入，AC耦合電容值為 (C_{SYNC }=10 pF) ，外部時(shí)鐘的占空比應(yīng)為50%。在啟動(dòng)時(shí)，不要將同步信號(hào)施加到RT引腳，以免導(dǎo)致RT電阻值檢查失敗。在低輸入電壓且開(kāi)關(guān)頻率高于1MHz時(shí)，開(kāi)關(guān)頻率會(huì)自動(dòng)降低，以實(shí)現(xiàn)高占空比操作并維持輸出電壓調(diào)節(jié)，同步到外部頻率時(shí)同樣適用。

擴(kuò)頻功能

芯片包含擴(kuò)頻調(diào)制功能，可降低開(kāi)關(guān)頻率及其諧波處的峰值電磁干擾（EMI）?？赏ㄟ^(guò)SETTING_REG寄存器中的SS_OFF位啟用和禁用擴(kuò)頻功能。擴(kuò)頻采用偽隨機(jī)抖動(dòng)技術(shù)，根據(jù)SSL位的設(shè)置，開(kāi)關(guān)頻率在94%至106%或96%至104%的編程開(kāi)關(guān)頻率范圍內(nèi)變化。使用擴(kuò)頻時(shí)，基波和各諧波的總能量分布在更寬的帶寬上，從而降低了相關(guān)頻率處的峰值能量。若使用外部同步，則禁用擴(kuò)頻功能。

LED電流控制

芯片具有六個(gè)相同的恒流源，用于驅(qū)動(dòng)多個(gè)高亮度LED串。每個(gè)通道的電流可通過(guò)設(shè)置ISET_REG寄存器中的7位值iset[6:0]在34.5mA至225mA之間進(jìn)行調(diào)節(jié)。為加速設(shè)備啟動(dòng)，可通過(guò)在ISET引腳和GND之間連接電阻來(lái)設(shè)置初始LED電流。當(dāng)EN引腳拉高時(shí)，設(shè)備立即啟動(dòng)，ISET引腳上電阻確定的電流值將加載到ISET_REG寄存器的iset[6:0]字段中，并可隨后通過(guò)I2C接口進(jìn)行調(diào)整。多個(gè)通道可并聯(lián)以提供超過(guò)225mA的串電流。

電流模式DC - DC控制器

該設(shè)備采用恒頻電流模式控制器，可在升壓或SEPIC配置下驅(qū)動(dòng)LED。芯片具有多環(huán)控制功能，用于調(diào)節(jié)電感中的峰值電流以及LED電流吸收器兩端的電壓，以最小化功耗。采用可編程斜率補(bǔ)償來(lái)避免在連續(xù)導(dǎo)通模式下占空比大于50%時(shí)可能出現(xiàn)的次諧波振蕩。 在每個(gè)開(kāi)關(guān)周期開(kāi)始時(shí)，外部nMOSFET開(kāi)啟，電感電流線性上升，直到達(dá)到反饋回路設(shè)置的峰值電流水平時(shí)關(guān)閉。峰值電感電流通過(guò)連接在外部nMOSFET源極和PGND之間的電流感測(cè)電阻（RCS）兩端的電壓進(jìn)行感測(cè)。芯片具有前沿消隱功能，以抑制外部nMOSFET的開(kāi)關(guān)噪聲。PWM比較器將電流感測(cè)電壓加上斜率補(bǔ)償信號(hào)與跨導(dǎo)誤差放大器的輸出進(jìn)行比較，當(dāng)CSP處的電壓超過(guò)誤差放大器的輸出電壓（COMP引腳處）時(shí)，控制器關(guān)閉外部nMOSFET，此過(guò)程在每個(gè)開(kāi)關(guān)周期重復(fù)，以實(shí)現(xiàn)峰值電流模式控制。 除了峰值電流模式控制回路外，芯片還有另外兩個(gè)反饋回路用于控制。轉(zhuǎn)換器輸出電壓通過(guò)BSTMON輸入進(jìn)行感測(cè)，該輸入連接到誤差放大器的反相輸入。BSTMON增益（AOVP）定義為VOUT/VBSTMON，即 (R17 + R16)/R16。另一個(gè)反饋來(lái)自O(shè)UT_電流吸收器，該回路控制電流吸收器的裕量電壓，以最小化總功耗，同時(shí)確保準(zhǔn)確的LED電流。每個(gè)電流吸收器都有一個(gè)窗口比較器，低閾值為0.58V，高閾值為0.85V，這些比較器驅(qū)動(dòng)邏輯來(lái)控制一個(gè)上下計(jì)數(shù)器，上下計(jì)數(shù)器在DIM輸入的每個(gè)下降沿更新，并驅(qū)動(dòng)一個(gè)8位數(shù)模轉(zhuǎn)換器（DAC），該DAC設(shè)置誤差放大器的參考值。

9位DAC

誤差放大器的參考輸入由一個(gè)9位DAC控制。在啟動(dòng)期間，DAC輸出逐漸上升以實(shí)現(xiàn)軟啟動(dòng)功能。在正常運(yùn)行期間，DAC輸出范圍限制在0.482V至0.996V之間。由于在正常運(yùn)行期間DAC輸出不低于0.482V，因此輸出的過(guò)壓閾值應(yīng)設(shè)置為小于最小LED正向電壓的兩倍。DAC的LSB根據(jù)以下公式確定最小輸出電壓步長(zhǎng)： [V_{STEPMIN }=V{D A C{L S B}} × A{O V P}] 其中 (V_{STEPMIN}) 是最小輸出電壓步長(zhǎng)， (V{DAC{LSB}}) 典型值為1.95mV， (A{OVP}) 是BSTMON電阻分壓器增益（1 + R6/R7）。

啟動(dòng)序列

升壓轉(zhuǎn)換器的啟動(dòng)序列分為三個(gè)階段：

• 階段1：ENA位設(shè)置為1后，若V5和BATT電壓超過(guò)各自的欠壓閾值，控制器將開(kāi)啟外部nMOSFET的NGATE電荷泵，電荷泵的輸出電流對(duì)外部nMOSFET的柵極充電，使其開(kāi)啟。2ms超時(shí)后，啟動(dòng)階段2。若不使用NGATE，可通過(guò)設(shè)置DISABLE_REG寄存器中的CP_DIS位來(lái)禁用NGATE電荷泵。
• 階段2：外部MOSFET在NGATE上啟用后，芯片進(jìn)行上電檢查，包括未使用串檢測(cè)和OUT_短路到地檢測(cè)。若檢測(cè)到任何OUT_短路到地，轉(zhuǎn)換器將不啟動(dòng)。檢測(cè)到未使用的電流吸收器將被禁用，以防止在正常運(yùn)行期間誤報(bào)故障標(biāo)志。檢查完成后，轉(zhuǎn)換器開(kāi)始運(yùn)行，輸出電壓開(kāi)始上升。誤差放大器的DAC參考值逐步增加，直到OVP引腳達(dá)到0.48V（快速啟動(dòng)模式下為0.88V）。此階段持續(xù)時(shí)間固定為約50ms（快速啟動(dòng)模式下為22ms）。
• 階段3：第二階段完成且DIM輸入變高時(shí)，第三階段開(kāi)始。在階段3中，轉(zhuǎn)換器的輸出進(jìn)行調(diào)整，直到最小OUT電壓落在窗口比較器的0.58V（典型值）和0.85V（典型值）限制范圍內(nèi)。輸出斜坡再次由DAC控制，DAC為誤差放大器提供參考值。DAC輸出在DIM輸入的每個(gè)上升沿更新。若DIM輸入為100%占空比（DIM = 高），則DAC輸出每10ms更新一次。 在慢速啟動(dòng)模式下，總軟啟動(dòng)時(shí)間可使用以下公式計(jì)算： [t{S S}=50 m s+frac{V{L E D}+0.87-(0.48× A{O V P})}{f{D I M} × 0.01 × A{O V P}}] 其中 (t{SS}) 是總軟啟動(dòng)時(shí)間，50ms是固定的階段1持續(xù)時(shí)間， (V{LED}) 是LED串的總正向電壓，0.81V是窗口比較器的中點(diǎn)， (A{OVP}) 是OVP電阻分壓器的增益， (f{DIM}) 是調(diào)光頻率（若DIM輸入占空比為100%，使用100Hz），0.01V是DAC每個(gè)時(shí)鐘周期的最大電壓步長(zhǎng)。

調(diào)光功能

基本調(diào)光方式

調(diào)光可通過(guò)將外部PWM信號(hào)施加到DIM引腳或?qū)懭隩ONn_REG寄存器（n為OUT_引腳編號(hào)，需先將DIM_EXT位設(shè)置為0）來(lái)實(shí)現(xiàn)。當(dāng)TON_ALL位設(shè)置為1時(shí)，TON1_值將用于所有活動(dòng)輸出。DIM引腳的信號(hào)由20MHz內(nèi)部時(shí)鐘采樣，除非禁用相移，此時(shí)DIM信號(hào)直接控制OUT_輸出。

低調(diào)光模式

當(dāng)調(diào)光脈沖非常窄時(shí)，芯片進(jìn)入低調(diào)光模式，以確保LED的調(diào)光響應(yīng)一致。若調(diào)光導(dǎo)通時(shí)間低于50μs（典型值），設(shè)備進(jìn)入低調(diào)光模式（由LO_DIM寄存器中的位指示）。在此狀態(tài)下，轉(zhuǎn)換器持續(xù)開(kāi)關(guān)，LED短路檢測(cè)被禁用。當(dāng)DIM輸入大于51μs（典型值）時(shí)，設(shè)備返回正常運(yùn)行，啟用短路LED檢測(cè)，僅在有效調(diào)光信號(hào)為高時(shí)切換功率FET。

相移調(diào)光

當(dāng)SET_REG寄存器中的PSEN位設(shè)置為1時(shí)，啟用LED串的相移功能。為此，DIM信號(hào)由20MHz時(shí)鐘內(nèi)部采樣，設(shè)備根據(jù)啟用的串?dāng)?shù)自動(dòng)設(shè)置串之間的相移值。啟用相移時(shí)，采樣的DIM輸入用于為每個(gè)LED串生成單獨(dú)的相移調(diào)光信號(hào)。DIM信號(hào)的捕獲分辨率在較高的DIM輸入頻率下會(huì)降低，因此建議調(diào)光頻率在100Hz至3kHz之間，盡管技術(shù)上可以使用更高的調(diào)光頻率。串之間的相移由以下公式確定： [Theta=360 / n] 其中n是使用的串總數(shù)，θ是相移角度（度）。

自動(dòng)淡入/淡出

通過(guò)將FADING_REG寄存器中的FADE_IN_OUT位設(shè)置為1，可配置設(shè)備在DIM輸入占空比或TON_設(shè)置更改時(shí)實(shí)現(xiàn)亮度的平滑變化。使用淡入功能時(shí)，在進(jìn)入100%占空比時(shí)保持DIM頻率恒定非常重要，以避免錯(cuò)誤的頻率測(cè)量，從而影響淡入速度。

禁用單個(gè)串

要禁用未使用的LED串，可通過(guò)9.1kΩ電阻將未使用的OUT_連接到地，或在設(shè)置ENA位之前將DISABLE寄存器中相應(yīng)的DIS_位設(shè)置為1。在啟動(dòng)期間，設(shè)備通過(guò)OUT_引腳提供60μA（典型值）電流并測(cè)量相應(yīng)的電壓。為了正確禁用串，在檢查期間OUT_電壓應(yīng)在VOUT_GND的最大值和VOUT_UN的最小值之間。注意，禁用未使用的串時(shí)，應(yīng)先禁用編號(hào)最高的電流吸收器（例如，若需要禁用兩個(gè)串，應(yīng)禁用OUT6和OUT5，而不是隨機(jī)禁用兩個(gè)串）。在正常運(yùn)行期間，可通過(guò)將相應(yīng)的TON_設(shè)置更改為0來(lái)選擇性地關(guān)閉串，這僅在使用內(nèi)部調(diào)光時(shí)可行（而不是使用DIM輸入引腳）。

混合調(diào)光

要啟用混合調(diào)光模式，需設(shè)置IMODE_REG寄存器中的HDIM位。在混合調(diào)光模式下，外部LED首先通過(guò)降低電流進(jìn)行調(diào)光，當(dāng)調(diào)光占空比從100%減小時(shí)，在由HDIM_THR_1_0[1:0]位設(shè)置的交叉點(diǎn)，調(diào)光過(guò)渡到PWM調(diào)光，此時(shí)LED電流被斬波。根據(jù)DIM_EXT位的設(shè)置，設(shè)備有兩種工作方式：

• 若DIM_EXT = 1，測(cè)量DIM引腳的占空比并將其轉(zhuǎn)換為組合的LED電流值和PWM設(shè)置。
• 若DIM_EXT = 0，從TON1寄存器獲取18位值并將其轉(zhuǎn)換為組合的LED電流值和PWM設(shè)置。

溫度折返

在獨(dú)立模式下，當(dāng)NTC溫度傳感器連接在GND和連接到V18電源的電阻（RT1）之間，并且另一個(gè)電阻（RT2）從NTC和RT1的連接點(diǎn)連接到TEMP引腳時(shí)，實(shí)現(xiàn)溫度折返功能。當(dāng)溫度達(dá)到由RT1設(shè)置的溫度T1時(shí)，LED中的電流根據(jù)線性方案降低。電流降低的斜率由RT2設(shè)置。MAX25560特別設(shè)計(jì)用于與NTCLE100E3或類(lèi)似的NTC設(shè)備配合使用。

診斷與保護(hù)功能

故障輸出與屏蔽

當(dāng)檢測(cè)到故障時(shí)，開(kāi)漏故障標(biāo)志輸出（FLTB）變低?？墒褂肕ASK1和MASK2寄存器中的位抑制某些故障導(dǎo)致FLTB變低。若未屏蔽，以下故障會(huì)使FLTB拉低：OUT_開(kāi)路、短路LED或短路到地；RT超出范圍、IREF超出范圍、ISET超出范圍；升壓欠壓、V18超出范圍、V5超出范圍；BATT欠壓、升壓輸入過(guò)流；過(guò)熱警告。

開(kāi)路LED管理與過(guò)壓保護(hù)

升壓轉(zhuǎn)換器軟啟動(dòng)后，芯片檢測(cè)開(kāi)路LED串，并將任何此類(lèi)串與內(nèi)部最小OUT_電壓檢測(cè)器斷開(kāi)，以保持DC - DC轉(zhuǎn)換器輸出電壓在正確范圍內(nèi)并維持高效率。檢測(cè)到開(kāi)路的串中的電流不會(huì)由ADC測(cè)量，讀數(shù)為零。在正常運(yùn)行期間，DC - DC轉(zhuǎn)換器輸出調(diào)節(jié)回路使用最小OUT_電壓作為反饋輸入。若任何LED串開(kāi)路，開(kāi)路OUT處的電壓將變?yōu)閂LEDGND，DC - DC轉(zhuǎn)換器輸出電壓將增加到由連接在轉(zhuǎn)換器輸出、BSTMON輸入和GND之間的分壓器網(wǎng)絡(luò)設(shè)置的過(guò)壓保護(hù)閾值。DC - DC轉(zhuǎn)換器輸出的過(guò)壓保護(hù)閾值使用以下公式確定： [V{OUT }=0.95 timesleft(1+frac{R