電子工程師必備：MAX25220/MAX25221/MAX25221B/MAX25221C詳解

在汽車電子領(lǐng)域，TFT - LCD 顯示屏的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，其性能的優(yōu)劣直接影響到駕駛員的體驗(yàn)和安全性。而電源管理芯片作為顯示屏穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵部件，其重要性不言而喻。今天，我們就來(lái)深入探討一下 Analog Devices 推出的 MAX25220、MAX25221、MAX25221B 和 MAX25221C 這幾款 4 通道 TFT - LCD 電源芯片。

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產(chǎn)品概述

MAX25220/MAX25221/MAX25221B/MAX25221C 這幾款芯片主要用于為汽車 TFT - LCD 提供所需的電源。它們能夠提供對(duì)稱的正電壓 AVDD 和負(fù)電壓 NAVDD，同時(shí)還能提供 (V{GON}) 和 (V{GOFF}) 柵極電源。其中，MAX25221、MAX25221B 和 MAX25221C 還集成了 VCOM 緩沖器和溫度測(cè)量模塊，這使得芯片在不同溫度環(huán)境下都能保持較好的性能。

芯片內(nèi)部集成了非易失性存儲(chǔ)器，這意味著所有輸出的值可以在芯片的使用壽命內(nèi)進(jìn)行最多五次校準(zhǔn)。編程是通過(guò)內(nèi)置的 (I^{2}C) 接口完成的，該接口不僅可以用于編程，還能讀取診斷信息。此外，芯片還支持獨(dú)立運(yùn)行模式，為不同的應(yīng)用場(chǎng)景提供了更多的選擇。

關(guān)鍵特性與優(yōu)勢(shì)

高度集成

• 電源輸出豐富：采用同步升壓轉(zhuǎn)換器，能夠提供 4.2V 至 10.5V 的 AVDD 電壓，最大電流可達(dá) 200mA；同時(shí)，NAVDD 反相器輸出電流最大可達(dá) -200mA。通過(guò)調(diào)節(jié)電荷泵，能輸出 15mA 的 (V{GON}) 電壓（范圍為 7.6V 至 20.2V）和 (V{GOFF}) 電壓（范圍為 -18.2V 至 -5.6V）。這樣豐富的電源輸出能夠滿足大多數(shù) TFT - LCD 的需求。
• VCOM 緩沖器：MAX25221、MAX25221B 和 MAX25221C 中的 VCOM 緩沖器輸出電壓范圍在 +1V 至 -2.49V 之間，調(diào)節(jié)步進(jìn)為 6.83mV，并且集成了溫度測(cè)量模塊，可根據(jù)測(cè)量溫度自動(dòng)調(diào)整 VCOM 輸出電壓。這一特性有助于提高顯示屏的顯示質(zhì)量，減少圖像閃爍和色偏等問題。
• 控制與診斷：內(nèi)置 (I^{2}C) 控制/診斷接口和 FLTB（中斷）輸出，能夠?qū)λ休敵鲞M(jìn)行欠壓診斷，方便工程師及時(shí)發(fā)現(xiàn)和解決問題。

低電磁干擾（EMI）

芯片支持 420kHz/2.1MHz 的開關(guān)頻率，并具備擴(kuò)頻功能，能夠有效降低電磁干擾，減少對(duì)周圍電子設(shè)備的影響。

應(yīng)用靈活

芯片支持非易失性輸出電壓設(shè)置，可對(duì) AVDD/NAVDD、(V{GON})、(V{GOFF})、VCOM 等參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，并支持獨(dú)立運(yùn)行模式。這使得芯片在不同的應(yīng)用場(chǎng)景中都能靈活配置，滿足多樣化的需求。

電氣特性

在詳細(xì)了解芯片的電氣特性前，先來(lái)看一張參數(shù)對(duì)比表：

這只是部分電氣特性的展示，從這些參數(shù)中可以看出芯片在電源輸入、內(nèi)部穩(wěn)壓等方面的性能表現(xiàn)。在實(shí)際應(yīng)用中，工程師需要根據(jù)具體的設(shè)計(jì)要求，仔細(xì)研究這些參數(shù)，確保芯片能夠穩(wěn)定工作。

引腳配置與功能

芯片采用 32 引腳 TQFN 封裝，不同型號(hào)的引腳配置略有差異。下面以 MAX25220 和 MAX25221/B/C 為例，介紹一下主要引腳的功能：

編程與控制引腳

• (V_{PROG})：編程電壓引腳。在對(duì)非易失性寄存器進(jìn)行編程時(shí)，需要在該引腳施加 8.5V 的電壓；正常工作時(shí)，通過(guò)電阻連接到 GND。
• EN：使能輸入引腳。當(dāng)該引腳為低電平時(shí)，芯片進(jìn)入關(guān)斷狀態(tài)；為高電平時(shí)，芯片激活。在獨(dú)立運(yùn)行模式下，EN 引腳變?yōu)楦唠娖綍r(shí)，輸出將按照存儲(chǔ)的順序開啟。
• ADD：設(shè)備地址選擇引腳。連接到 GND 或 V18 可以選擇設(shè)備的 (I^{2}C) 地址。如果要使用獨(dú)立運(yùn)行模式（不使用 (I^{2}C)），則讓該引腳浮空，此時(shí)當(dāng) EN 引腳變?yōu)楦唠娖綍r(shí)，設(shè)備將按照編程的順序開啟所有輸出。

電源與信號(hào)引腳

• IN 和 INN：分別為顯示偏置電路的電源連接和反相轉(zhuǎn)換器的輸入，需要分別連接合適的電容到地，以確保芯片的穩(wěn)定工作。
• V18：內(nèi)部 1.8V 穩(wěn)壓器的輸出，需要連接一個(gè) 1μF 的電容到 GND。
• BST：同步整流驅(qū)動(dòng)器的自舉電容連接，需連接一個(gè) 0.1μF 的陶瓷電容到 LXP。
• AVDD 和 NAVDD：分別為升壓轉(zhuǎn)換器的開關(guān)輸出和負(fù)源極驅(qū)動(dòng)器輸出電壓，需要連接相應(yīng)的旁路電容到地。
• (V{GON}) 和 (V{GOFF})：分別為正電荷泵模塊和負(fù)電荷泵模塊的輸出，需要分別連接一個(gè) 1μF 的電容到 GND。
• SDA 和 SCL：雙向 (I^{2}C) 數(shù)據(jù)引腳和 (I^{2}C) 時(shí)鐘引腳，用于與控制器進(jìn)行通信。
• FLTB：開漏、低電平有效故障輸出引腳。在獨(dú)立運(yùn)行模式下，該引腳的占空比可以指示錯(cuò)誤狀況；使用串行接口時(shí)，該引腳為 0 表示有數(shù)據(jù)需要從內(nèi)部寄存器讀取，為 1 表示正常。

工作模式與功能

上電狀態(tài)

芯片上電后處于低靜態(tài)電流模式，直到 EN 引腳變?yōu)楦唠娖健．?dāng) EN 引腳變?yōu)楦唠娖角?IN 引腳的電源電壓超過(guò)欠壓鎖定電壓 2.5V 時(shí)，1.8V 穩(wěn)壓器開啟，芯片在延遲 1ms 后開始正常工作。后續(xù)的操作取決于芯片的配置和類型。

開關(guān)頻率設(shè)置

通過(guò) CONFIG 寄存器中的 fSW 位可以設(shè)置升壓和反相轉(zhuǎn)換器以及電荷泵的開關(guān)頻率。當(dāng) fSW 為 0 時(shí)，開關(guān)頻率為 2.1MHz；當(dāng) fSW 為 1 時(shí)，開關(guān)頻率為 420kHz。此外，還可以通過(guò) en_ss 位開啟擴(kuò)頻功能，以改善 EMI 性能。

獨(dú)立運(yùn)行模式

當(dāng)芯片已經(jīng)完成編程后，可以使用獨(dú)立運(yùn)行模式。在該模式下，只需將電源施加到芯片上，并將 EN 引腳變?yōu)楦唠娖?，芯片就?huì)按照預(yù)先編程的值啟動(dòng)。此時(shí)，需要讓 ADD 引腳浮空。

(I^{2}C) 只讀模式

對(duì)于 MAX25221B/C 型號(hào)，當(dāng)電源施加且 EN 引腳變?yōu)楦唠娖綍r(shí)，芯片會(huì)立即以預(yù)先編程的值啟動(dòng)。如果 ADD 引腳連接到 V18，(I^{2}C) 接口將處于只讀模式，只能用于讀取設(shè)備寄存器。

電源供應(yīng)與時(shí)序控制

源極驅(qū)動(dòng)器電源供應(yīng)

AVDD 和 NAVDD 電源是芯片為 TFT - LCD 源極驅(qū)動(dòng)器提供的重要電源。AVDD 升壓轉(zhuǎn)換器是一個(gè)電流模式轉(zhuǎn)換器，具有兩個(gè)內(nèi)部開關(guān)和內(nèi)部補(bǔ)償功能，其直接輸出為 HVINP，而 AVDD 是開關(guān)輸出版本。NAVDD 轉(zhuǎn)換器同樣是電流模式轉(zhuǎn)換器，具有一個(gè)內(nèi)部開關(guān)、一個(gè)外部二極管和內(nèi)部補(bǔ)償功能。需要注意的是，AVDD 和 NAVDD 的電壓是自動(dòng)緊密調(diào)節(jié)的，NAVDD 的絕對(duì)值與 AVDD 相等，且不能獨(dú)立于 AVDD 進(jìn)行調(diào)整。

柵極驅(qū)動(dòng)器電源供應(yīng)

正柵極驅(qū)動(dòng)器電源 (V{GON}) 是一個(gè)穩(wěn)壓電荷泵三倍器，能夠產(chǎn)生高達(dá) +20.2V 的電壓，其最大輸出電壓為 3 x AVDD - (R{ON TOTAL}) x (I{V{GON}}) x K（其中 (R_{ON TOTAL}) 通常為 30Ω，K 為 0.75）。如果使用兩倍電荷泵就足夠滿足需求，可以設(shè)置 cp2stage 位，并讓引腳 FC1 - 和 FC1 + 浮空，以提高效率。負(fù)柵極驅(qū)動(dòng)器電源 (V{GOFF}) 能夠產(chǎn)生最大 -18.2V 的負(fù)電壓，需要外部二極管和電容的支持。(V{GON}) 和 (V{GOFF}) 的調(diào)節(jié)電壓可以通過(guò) (I^{2}C) 接口寫入 vgon[5:0] 和 vgoff[5:0] 值來(lái)設(shè)置，并可以存儲(chǔ)在寄存器的非易失性部分。

時(shí)序控制

電源的上電和下電序列由 VCOM_L 寄存器中的 seq_set[2:0] 位控制。在執(zhí)行序列之前，需要先寫入設(shè)置，并且在開啟或關(guān)閉序列期間不能更改。以下是一些可用的序列選項(xiàng)：

這些序列中的時(shí)間由 DELAY - VCOM_LSB 寄存器中的 delayt1、delayt2 和 delayt3 設(shè)置確定。將延遲設(shè)置為 0 可以獲得最快的上電速度。在掉電序列中，輸出電壓不會(huì)被監(jiān)控，每個(gè)輸出將按照編程的延遲依次關(guān)閉。當(dāng)延遲設(shè)置為 0 時(shí)，輸出將以 1ms 的延遲依次關(guān)閉。序列可以通過(guò)寫入 burn_otp_reg 寄存器存儲(chǔ)在非易失性存儲(chǔ)器中。電源下電序列完成 200ms 后，V18 線性穩(wěn)壓器將關(guān)閉，此時(shí)芯片處于關(guān)斷模式，可以通過(guò)將 EN 輸入設(shè)置為高電平來(lái)重新啟動(dòng)。

VCOM 緩沖器相關(guān)功能

VCOM 輸出電壓編程

VCOM 輸出電壓可以通過(guò) (I^{2}C) 編程設(shè)置在 -2.49V 至 +1V 之間的某個(gè)值，這個(gè) 9 位的值也可以存儲(chǔ)在非易失性存儲(chǔ)器中。VCOM 電壓設(shè)置的最高有效位在 VCOM25 寄存器中，最低有效位是 DELAY - VCOM_LSB 寄存器中的 vcom25_0 位。

VCOM 故障檢測(cè)

VCOM 緩沖器能夠輸出高達(dá) ±120mA 的峰值電流。如果 VCOM 輸出電壓與設(shè)定值偏差超過(guò) 0.25V，將檢測(cè)到 VCOM 故障，并在 FAULT2 寄存器中通過(guò) vcomflt 位進(jìn)行標(biāo)記。當(dāng)檢測(cè)到故障時(shí)，VCOM 緩沖器仍會(huì)繼續(xù)工作，但可能會(huì)導(dǎo)致高功耗，甚至可能導(dǎo)致整個(gè)設(shè)備熱關(guān)斷。如果 VCOM 緩沖器連續(xù)處于電流限制狀態(tài)的時(shí)間超過(guò) tfault[1:0] 設(shè)置的時(shí)間，它將與 AVDD、NAVDD、(V{GON}) 和 (V_{GOFF}) 輸出一起被禁用，以避免損壞 IC。在這種情況下，vcom_flt 位也會(huì)被設(shè)置。

VCOMN 負(fù)電源

通過(guò)一個(gè)線性穩(wěn)壓器從 NAVDD 電源中導(dǎo)出一個(gè)穩(wěn)壓的 -3.5V 電壓，為 VCOM 緩沖器供電。連接到 VCB 引腳的 npn 晶體管作為穩(wěn)壓器的傳輸晶體管，其峰值輸出電流與 VCOM 輸出的峰值負(fù)驅(qū)動(dòng)電流相同，至少為 120mA。設(shè)備會(huì)檢測(cè) VCOMN 處的電壓，并通過(guò)驅(qū)動(dòng) VCB 將其調(diào)節(jié)到 -3.5V，外部 npn 基極的峰值驅(qū)動(dòng)電流至少為 5mA。

VCOM 電壓范圍限制與溫度補(bǔ)償

當(dāng)溫度補(bǔ)償功能未啟用時(shí)，可以通過(guò) VCOM_MIN 和 VCOM_MAX 寄存器將 VCOM 的波動(dòng)范圍限制在設(shè)定的值之間。如果試圖向 VCOM25 寫入超出設(shè)定范圍的值，VCOM 輸出電壓將不會(huì)更新，并且 (I^{2}C) 接口會(huì)發(fā)出 NACK。VCOM 輸出電壓可以根據(jù)溫度變化進(jìn)行補(bǔ)償，可以使用連接到 TEMP 輸入的溫度敏感組件（如 NTC 熱敏電阻）或內(nèi)部溫度傳感器。通過(guò) CONFIG 寄存器中的 int_sensor 位選擇要使用的傳感器（默認(rèn)配置為使用外部傳感器）。TEMP 引腳被強(qiáng)制設(shè)置為 625mV，從該引腳汲取的電流會(huì)被鏡像到 RREF 引腳，RREF 引腳上的電阻產(chǎn)生的電壓會(huì)被輸入到內(nèi)部 8 位 ADC 中，ADC 的參考電壓為 1.25V。通過(guò)設(shè)置 DELAY - VCOM_LSB 寄存器中的 T_comp_en 位可以啟用溫度補(bǔ)償功能。啟用后，RREF 引腳上的電壓將被測(cè)量，VCOM 輸出電壓將以 1Hz 的速率更新。在啟動(dòng)時(shí)，即使啟用了溫度補(bǔ)償功能，由于需要時(shí)間來(lái)采樣溫度，補(bǔ)償功能會(huì)有一定的延遲才會(huì)生效，因此設(shè)備總是以 VCOM25 寄存器中的電壓值啟動(dòng) VCOM。

故障處理與非易失性存儲(chǔ)器

故障處理

芯片對(duì)故障的反應(yīng)取決于其工作模式是 (I^{2}C) 模式還是獨(dú)立運(yùn)行模式。在 (I^{2}C) 模式下，如果未屏蔽以下故障，會(huì)導(dǎo)致 FLTB 引腳拉低：avdd_uv、navdduv、(v{gon})uv、(v{goff})_uv、vcom_flt、nv_flt、th_shdn、vin_uvlo 和 par_err。th_warn 故障默認(rèn)是屏蔽的，需要通過(guò) th_warnmask 位顯式啟用。當(dāng) ADD 引腳浮空（不使用 (I^{2}C) 接口）時(shí)，F(xiàn)LTB 引腳會(huì)根據(jù)檢測(cè)到的故障輸出不同占空比的脈沖序列，例如 (V{GON}) 或 (V_{GOFF}) 故障時(shí)占空比為 75%，AVDD、NAVDD 或 HVINP 故障時(shí)占空比為 50%，VCOM 故障時(shí)占空比為 25%，NV 故障或熱關(guān)斷時(shí)占空比為 0%（持續(xù)低電平）。當(dāng)檢測(cè)到多個(gè)故障時(shí)，會(huì)指示優(yōu)先級(jí)最高的故障。

非易失性存儲(chǔ)器

MAX25220/MAX25221/MAX25221B/MAX25221C 包含六個(gè)一次性可編程存儲(chǔ)器塊，用戶可以將從 0x07 到 0x15 的易失性寄存器塊存儲(chǔ)在非易失性存儲(chǔ)器中，該存儲(chǔ)器映射到寄存器位置 0x17 到 0x25。在對(duì)非易失性存儲(chǔ)器進(jìn)行編程之前，讀取 0x17 到 0x25 位置會(huì)得到結(jié)果 0xFF。非易失性存儲(chǔ)器的內(nèi)容通過(guò)單錯(cuò)誤糾正/雙錯(cuò)誤檢測(cè)（SECDED）冗余代碼進(jìn)行保護(hù)，從非易失性存儲(chǔ)器到寄存器 0x07 到 0x15 的數(shù)據(jù)傳輸通過(guò)奇偶校驗(yàn)進(jìn)行保護(hù)。如果奇偶校驗(yàn)失敗，會(huì)進(jìn)行兩次重試；如果三次嘗試均不成功，設(shè)備將無(wú)法啟動(dòng)，nv_flt 位會(huì)被設(shè)置，F(xiàn)LTB 引腳會(huì)拉低。如果 SECDED 檢查失敗，也會(huì)出現(xiàn)相同的情況。如果沒有錯(cuò)誤，輸出將以存儲(chǔ)的值和存儲(chǔ)的序列開啟。要將寄存器 0x07 到