深入剖析 LTC3209-1/LTC3209-2：高效多顯示 LED 控制器的卓越之選

在電子設(shè)備的設(shè)計(jì)中，LED 顯示控制是一個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)，它直接影響到設(shè)備的顯示效果和性能。LTC3209-1/LTC3209-2 作為高度集成的多顯示 LED 控制器，為我們帶來(lái)了出色的解決方案。下面，讓我們一起深入了解這款控制器的特點(diǎn)、性能及應(yīng)用。

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產(chǎn)品概述

LTC3209-1/LTC3209-2 是 Linear Technology 公司推出的高度集成的多顯示 LED 控制器，可提供高達(dá) 94%的效率，適用于視頻/相機(jī)手機(jī)等具有 QVGA+ 顯示屏的設(shè)備。該系列產(chǎn)品包含一個(gè)高效、低噪聲的電荷泵，為 MAIN、CAM 和 AUX LED 顯示屏供電。

功能特性

1. 多模式電荷泵：支持 1x、1.5x、2x 三種模式，最高效率可達(dá) 94%，總輸出電流高達(dá) 600mA。
2. 多電流源輸出：LTC3209-1 提供 6 個(gè) 25mA 的 MAIN 電流源、1 個(gè) 400mA 的 CAM 電流源和 1 個(gè) 15mA 的 AUX 電流源；LTC3209-2 提供 5 個(gè) 25mA 的 MAIN 電流源、2 個(gè) 200mA 的 CAM 電流源和 1 個(gè) 15mA 的 AUX 電流源。
3. 可編程控制：通過(guò) (I^{2} C^{TM}) 接口可對(duì) LED 的開關(guān)和亮度進(jìn)行編程控制。
4. 自動(dòng)模式切換：電荷泵可根據(jù) LED 電流源兩端的電壓自動(dòng)切換模式，也可固定模式運(yùn)行。
5. 低噪聲恒頻工作：采用低噪聲恒頻工作模式，減少對(duì)其他電路的干擾。
6. 軟啟動(dòng)功能：內(nèi)部軟啟動(dòng)功能可限制啟動(dòng)和模式切換時(shí)的浪涌電流。
7. 保護(hù)功能：具備短路、熱保護(hù)和 LED 開路/短路保護(hù)功能。
8. 多亮度狀態(tài)：MAIN 顯示屏有 256 級(jí)亮度狀態(tài)，CAM 顯示屏有 16 級(jí)亮度狀態(tài)，AUX 顯示屏有 4 級(jí)亮度狀態(tài)。
9. 小型封裝：采用 20 引腳（4mm × 4mm）QFN 封裝，節(jié)省電路板空間。

工作原理

電源管理

LTC3209-1/LTC3209-2 使用開關(guān)電容電荷泵將 CPO 電壓提升至最高 2 倍的輸入電壓，最高可達(dá) 5.1V。器件啟動(dòng)時(shí)處于 1x 模式，此時(shí) (V{BAT}) 直接連接到 CPO，提供最高效率和最低噪聲。當(dāng) MAIN 或 CAM LED 電流源出現(xiàn)壓降時(shí)，器件將切換到 1.5x 模式，CPO 電壓開始升高，試圖達(dá)到 1.5x (V{BAT})，最高可達(dá) 4.6V。若再次出現(xiàn)壓降，器件將進(jìn)入 2x 模式，CPO 電壓試圖達(dá)到 2x (V_{BAT})，最高可達(dá) 5.1V。當(dāng)通過(guò) (I^{2} C) 端口更新 DAC 數(shù)據(jù)位或 CAMHL 信號(hào)下降沿時(shí)，器件將重置為 1x 模式。

軟啟動(dòng)

器件在關(guān)機(jī)狀態(tài)下，一個(gè)弱開關(guān)將 (V{BAT 1}) 連接到 CPO，使 (V{BAT 1}) 緩慢充電 CPO 輸出電容，防止出現(xiàn)大的充電電流。同時(shí)，電荷泵采用軟啟動(dòng)功能，防止在升壓模式切換時(shí)出現(xiàn)過(guò)大的浪涌電流和電源壓降。CPO 引腳的可用電流在典型的 125μs 內(nèi)線性增加，軟啟動(dòng)在 1.5x 和 2x 模式切換開始時(shí)都會(huì)發(fā)生。

電荷泵強(qiáng)度

當(dāng)器件工作在 1.5x 或 2x 模式時(shí)，電荷泵可建模為戴維南等效電路，通過(guò)有效輸入電壓和有效開環(huán)輸出電阻 (R{OL}) 來(lái)確定可用電流。(R{OL}) 取決于多個(gè)因素，包括開關(guān)項(xiàng) (1 /(2 f{OSC} cdot C{FLY}))、內(nèi)部開關(guān)電阻和開關(guān)電路的非重疊周期。對(duì)于給定的 (R{OL})，1.5x 模式下的可用電流與 (1.5 ~V{BAT}- CPO) 成正比，2x 模式下的可用電流與 (2 ~V_{BAT}- CPO) 成正比。

關(guān)機(jī)電流

當(dāng)所有電流源數(shù)據(jù)位寫入零或 (DVCC) 低于 (DVCC) UVLO 閾值時(shí)，器件進(jìn)入關(guān)機(jī)狀態(tài)。盡管 LTC3209-1/LTC3209-2 設(shè)計(jì)為具有非常低的關(guān)機(jī)電流，但在關(guān)機(jī)時(shí)仍會(huì)從 (V_{BAT}) 汲取約 3μA 的電流。內(nèi)部邏輯確保當(dāng) (DVCC) 接地時(shí)，器件處于關(guān)機(jī)狀態(tài)。需要注意的是，所有參考 (DVCC) 的邏輯信號(hào)（SCL、SDA、CAMHL）必須處于 (DVCC) 或以下（即接地），以避免違反這些引腳的絕對(duì)最大規(guī)格。

串行端口

微控制器兼容的 (I^{2} C) 串行端口為 LTC3209-1/LTC3209-2 提供所有命令和控制輸入。SDA 輸入的數(shù)據(jù)在 SCL 的上升沿加載，先加載 D7，最后加載 D0。有三個(gè)數(shù)據(jù)寄存器和一個(gè)地址寄存器，所有地址位時(shí)鐘輸入到地址寄存器后會(huì)產(chǎn)生確認(rèn)信號(hào)。數(shù)據(jù)寄存器寫入后，在停止位之后會(huì)產(chǎn)生一個(gè)加載脈沖，將數(shù)據(jù)寄存器中的所有數(shù)據(jù)傳輸?shù)?DAC 寄存器，此時(shí) LED 電流將更改為新的設(shè)置。串行端口使用靜態(tài)邏輯寄存器，因此沒(méi)有最低操作速度要求。

電流源控制

• MAIN 電流源：LTC3209-1 有六個(gè) MAIN 電流源，LTC3209-2 有五個(gè) MAIN 電流源。這些電流源采用 8 位線性 DAC 進(jìn)行電流控制，當(dāng) (R_{REF}=24.3k) 時(shí)，輸出電流范圍為 0mA 至 28mA，共 256 步。當(dāng)塊接收到全零數(shù)據(jù)字時(shí)，電流源禁用，該塊的電源電流降為零。此外，未使用的 LED 輸出可連接到 CPO 以關(guān)閉電流源輸出，將工作電流降低到典型的 10μA。
• 相機(jī)電流源：LTC3209-1 有一個(gè) CAM 電流源，LTC3209-2 有兩個(gè) CAM 電流源。這些電流源采用 4 位線性 DAC 進(jìn)行電流控制，當(dāng) (R_{REF}=24.3k) 時(shí)，LTC3209-1 的輸出電流范圍為 0mA 至 400mA，共 16 步；LTC3209-2 每個(gè)電流源的輸出電流范圍為 0mA 至 200mA，共 16 步。當(dāng)塊接收到全零數(shù)據(jù)字時(shí)，電流源禁用，該塊的電源電流降為零。未使用的 LED 輸出可連接到 CPO 以關(guān)閉電流源輸出，將工作電流降低到典型的 10μA。需要注意的是，這些引腳未使用時(shí)不能浮空，否則會(huì)錯(cuò)誤檢測(cè)到壓降。
• 輔助電流源：有一個(gè) AUX 電流源，采用 2 位線性 DAC 進(jìn)行電流控制，輸出電流范圍為 0mA 至 13.75mA，共 4 步（OFF、33%、67%、100%）。AUX 輸出沒(méi)有壓降檢測(cè)，連接到 CPO 時(shí)不能禁用。當(dāng)塊接收到全零數(shù)據(jù)字時(shí)，電流源禁用，該塊的電源電流降為零。此輸出還可用作 (I^{2} C) 控制的數(shù)字開漏通用輸出。

CAMHL 功能

CAMHL 引腳可快速選擇相機(jī)高寄存器，用于閃光燈應(yīng)用，無(wú)需重新訪問(wèn) (I^{2} C) 端口。當(dāng) CAMHL 為低電平時(shí)，CAM 電流范圍由相機(jī)低 4 位寄存器控制；當(dāng) CAMHL 為高電平時(shí)，電流范圍由相機(jī)高 4 位寄存器設(shè)置。當(dāng) CAMHL 為高電平時(shí)，壓降延遲從 150ms 降低到 2ms，以便電荷泵在需要時(shí)能快速改變模式。當(dāng) CAMHL 從高電平變?yōu)榈碗娖綍r(shí)，電荷泵模式重置為 1x。

熱保護(hù)

LTC3209-1/LTC3209-2 內(nèi)置過(guò)溫保護(hù)功能，當(dāng)內(nèi)部管芯溫度約為 150°C 時(shí)，熱關(guān)斷將發(fā)生，所有電流源和電荷泵將禁用，直到管芯冷卻約 15°C。這種熱循環(huán)將持續(xù)到故障得到糾正。

RREF 電流設(shè)置電阻

電流設(shè)置電阻連接在 (R{REF}) 引腳和地之間，根據(jù)以下公式設(shè)置三個(gè)顯示屏（MAIN、CAM 和 AUX）的滿量程電流： [MAIN =frac{1.23 V}{R{REF}} cdot 550] [CAM=frac{1.23 V}{R{REF}} cdot 7900 quad(LTC3209-1)] [CAM=frac{1.23 V}{R{REF}} cdot 3950 quad(LTC3209-2)] [AUX=frac{1.23 V}{R_{REF}} cdot 272] 一個(gè) 24.3k、1% 的電阻可為 MAIN 提供 28mA 的滿量程電流，為 CAM 提供 400mA（總計(jì)）的電流，為 AUX 電流源提供 13.75mA 的電流。此輸入受保護(hù)，可防止接地短路或低阻值電阻（<10k）。當(dāng)檢測(cè)到故障時(shí)，參考電流放大器將進(jìn)行限流，同時(shí)電流源輸出和電荷泵將禁用。

模式切換

當(dāng)在 LED 引腳檢測(cè)到壓降條件時(shí)，LTC3209-1/LTC3209-2 將自動(dòng)從 1x 模式切換到 1.5x 模式，隨后切換到 2x 模式。壓降發(fā)生在電流源電壓過(guò)低，無(wú)法提供編程電流時(shí)。模式切換時(shí)，除非壓降持續(xù) 150ms，否則模式不會(huì)改變，此延遲可讓 LED 預(yù)熱并達(dá)到最終的 LED 正向電壓值。通過(guò)編程 REGC 寄存器中的 Drop2ms 位 C2 或?qū)?CAMHL 引腳在控制 CAM LED 時(shí)切換為高電平，可將壓降延遲降低到 2ms。當(dāng)通過(guò) (I^{2} C) 端口更新數(shù)據(jù)位或 CAMHL 從高電平切換到低電平時(shí)，模式將自動(dòng)切換回 1x。如果通過(guò) (I^{2} C) 強(qiáng)制器件進(jìn)入 1.5x 或 2x 模式作為固定電壓電源運(yùn)行，則在進(jìn)行 (I^{2} C) 更新之前不會(huì)發(fā)生模式切換。

(I^{2} C) 接口

LTC3209-1/LTC3209-2 使用標(biāo)準(zhǔn)的 (I^{2} C) 2 線接口與主機(jī)（主設(shè)備）通信?？偩€空閑時(shí)，兩條總線線路 SDA 和 SCL 必須為高電平，這些線路需要外部上拉電阻或電流源，如 LTC1694 SMBus 加速器。LTC3209-1/LTC3209-2 是僅接收（從設(shè)備）器件。

• 總線速度：(I^{2} C) 端口設(shè)計(jì)為最高可在 400kHz 的速度下運(yùn)行，內(nèi)置定時(shí)延遲以確保從 (I^{2} C) 兼容主設(shè)備尋址時(shí)能正確操作，還包含輸入濾波器以抑制總線損壞時(shí)的干擾。
• 起始和停止條件：總線主設(shè)備通過(guò)發(fā)送起始條件向從設(shè)備發(fā)出通信開始信號(hào)，起始條件是在 SCL 為高電平時(shí)，SDA 從高電平變?yōu)榈碗娖?。主設(shè)備與從設(shè)備通信結(jié)束后，通過(guò)在 SCL 為高電平時(shí)，SDA 從低電平變?yōu)楦唠娖桨l(fā)出停止條件，此時(shí)總線可用于與另一個(gè) (I^{2} C) 設(shè)備通信。
• 字節(jié)格式：發(fā)送到 LTC3209-1/LTC3209-2 的每個(gè)字節(jié)必須為 8 位長(zhǎng)，后面跟隨一個(gè)額外的時(shí)鐘周期用于 LTC3209-1/LTC3209-2 返回確認(rèn)位。數(shù)據(jù)應(yīng)先發(fā)送最高有效位（MSB）。
• 確認(rèn)信號(hào)：確認(rèn)信號(hào)用于主設(shè)備和從設(shè)備之間的握手。從設(shè)備（LTC3209-1/LTC3209-2）生成的確認(rèn)信號(hào)（低電平有效）讓主設(shè)備知道最新的字節(jié)信息已接收。確認(rèn)相關(guān)的時(shí)鐘脈沖由主設(shè)備生成，主設(shè)備在確認(rèn)時(shí)鐘周期釋放 SDA 線（高電平），從設(shè)備接收器必須在確認(rèn)時(shí)鐘脈沖期間拉低 SDA 線，使其在該時(shí)鐘脈沖的高電平期間保持穩(wěn)定的低電平。
• 從設(shè)備地址：LTC3209-1/LTC3209-2 僅響應(yīng)一個(gè) 7 位地址，該地址已在工廠編程為 0011011。地址字節(jié)的第 8 位（R/W）必須為 0，LTC3209-1/LTC3209-2 才能識(shí)別該地址，因?yàn)樗侵粚懺O(shè)備，這實(shí)際上使地址為 8 位長(zhǎng)，地址的最低有效位為 0。如果給出正確的 7 位地址但 R/W 位為 1，LTC3209-1/LTC3209-2 將不響應(yīng)。
• 總線寫操作：主設(shè)備通過(guò)起始條件和 7 位地址，后跟寫位 (R / W=0) 與 LTC3209-1/LTC3209-2 發(fā)起通信。如果地址匹配，器件返回確認(rèn)信號(hào)。主設(shè)備應(yīng)隨后發(fā)送最高有效數(shù)據(jù)字節(jié)，LTC3209-1/LTC3209-2 再次確認(rèn)，此循環(huán)再重復(fù)兩次，共一個(gè)地址字節(jié)和三個(gè)數(shù)據(jù)字節(jié)。每個(gè)數(shù)據(jù)字節(jié)在返回確認(rèn)信號(hào)時(shí)傳輸?shù)絻?nèi)部保持鎖存器。所有三個(gè)數(shù)據(jù)字節(jié)傳輸?shù)?LTC3209-1/LTC3209-2 后，主設(shè)備可通過(guò)停止條件終止通信。或者，主設(shè)備可發(fā)起重復(fù)起始條件并尋址 (I^{2} C) 總線上的另一個(gè)芯片。此循環(huán)可無(wú)限繼續(xù)，LTC3209-1/LTC3209-2 將記住最后接收到的有效數(shù)據(jù)輸入。一旦總線上的所有芯片都被尋址并發(fā)送了有效數(shù)據(jù)，可發(fā)送全局停止條件，LTC3209-1/LTC3209-2 將用接收到的數(shù)據(jù)更新所有寄存器。在某些情況下，(I^{2} C) 總線上的數(shù)據(jù)可能會(huì)損壞，此時(shí) LTC3209-1/LTC3209-2 會(huì)適當(dāng)響應(yīng)，僅保留最后一組完整的數(shù)據(jù)。例如，假設(shè) LTC3209-1/LTC3209-2 已成功尋址并正在接收數(shù)據(jù)時(shí)，錯(cuò)誤地出現(xiàn)停止條件，LTC3209-1/LTC3209-2 將忽略此停止條件，直到發(fā)送新的起始條件、正確的地址、新的數(shù)據(jù)集和停止條件才會(huì)響應(yīng)。同樣，如果 LTC3209-1/LTC3209-2 之前已尋址并發(fā)送了有效數(shù)據(jù)但未用停止條件更新，它將響應(yīng)總線上出現(xiàn)的任何停止條件，但有一個(gè)例外，無(wú)論發(fā)生多少次重復(fù)起始條件。如果給出重復(fù)起始條件且 LTC3209-1/LTC3209-2 成功確認(rèn)其地址，它將在接收到并確認(rèn)新數(shù)據(jù)的所有字節(jié)之前不響應(yīng)停止條件。

應(yīng)用信息

電容選擇

• (V_{BAT}) 和 CPO 電容：LTC3209-1/LTC3209-2 使用的電容的類型和值決定了幾個(gè)重要參數(shù)，如調(diào)節(jié)器控制環(huán)路穩(wěn)定性、輸出紋波、電荷泵強(qiáng)度和最小啟動(dòng)時(shí)間。為減少噪聲和紋波，建議 (CV{BAT}) 和 (C{CPO}) 使用低等效串聯(lián)電阻（ESR）陶瓷電容，不建議使用鉭電容和鋁電容，因?yàn)樗鼈兊?ESR 較高。(C{CPO}) 的值直接控制給定負(fù)載電流下的輸出紋波，增大 (C{CPO}) 的尺寸將減少輸出紋波，但會(huì)增加啟動(dòng)電流。1.5x 模式下的峰 - 峰輸出紋波近似為： [V{RIPPLE(P-P)}=frac{I{OUT }}{3 f{OSC} cdot C{C P O}}] 其中 (fosc) 是 LTC3209-1/LTC3209-2 的振蕩器頻率，通常為 850kHz，(C_{CPO}) 是輸出存儲(chǔ)電容。2x 模式下的輸出紋波非常小，因?yàn)樨?fù)載電流在時(shí)鐘的兩個(gè)周期都提供。輸出電容的類型和值會(huì)顯著影響 LTC3209-1/LTC3209-2 的穩(wěn)定性。如框圖所示，LTC3209-1/LTC3209-2 使用控制環(huán)路調(diào)整電荷泵的強(qiáng)度以匹配所需的輸出電流，環(huán)路的誤差信號(hào)直接存儲(chǔ)在輸出電容上，輸出電容也是控制環(huán)路的主導(dǎo)極點(diǎn)。為防止振蕩或不穩(wěn)定