深入剖析LP8543：一款高性能的WLED驅(qū)動(dòng)芯片

今天給大家介紹一款由德州儀器（TI）推出的SMBus/I2C控制的WLED驅(qū)動(dòng)芯片——LP8543，它主要用于中等尺寸LCD背光應(yīng)用。下面我將從多個(gè)方面詳細(xì)剖析這款芯片。

文件下載：lp8543.pdf

特性亮點(diǎn)

電源管理方面

• 高集成度與寬電壓范圍：LP8543集成了FET的高壓DC/DC升壓轉(zhuǎn)換器，輸入電壓范圍為5.5V至22V，能夠支持2x、3x和4x鋰離子電池，這為不同電源場景提供了廣泛的適用性。比如在一些移動(dòng)設(shè)備中，不同的電池配置都能找到合適的應(yīng)用方案。
• 高效的PWM相移控制：采用PWM相移控制和自適應(yīng)升壓輸出，相比傳統(tǒng)升壓轉(zhuǎn)換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，能有效提高效率。這種控制方式通過周期性地關(guān)閉LED輸出，優(yōu)化升壓轉(zhuǎn)換器的輸出電壓，尤其在LED串正向電壓存在差異時(shí)，能顯著降低功耗。例如，當(dāng)不同LED串的正向電壓不一致時(shí)，相移PWM可以根據(jù)實(shí)際情況調(diào)整輸出，使升壓電壓自動(dòng)降低，從而提高整體效率。

功能控制方面

• 數(shù)字環(huán)境光傳感器接口：具備用戶可編程的環(huán)境光到背光亮度曲線，可根據(jù)環(huán)境光的變化自動(dòng)調(diào)整背光亮度，既降低了功耗，又能提供自然的背光效果。這在戶外和室內(nèi)不同光照環(huán)境下使用的設(shè)備中非常實(shí)用，能為用戶帶來更好的視覺體驗(yàn)。
• 易于使用的EEPROM校準(zhǔn)：可以對(duì)電流、強(qiáng)度和環(huán)境光響應(yīng)進(jìn)行設(shè)置，方便在背光單元生產(chǎn)過程中進(jìn)行亮度校準(zhǔn)，確保所有單元產(chǎn)生相同的亮度。這對(duì)于大規(guī)模生產(chǎn)的顯示設(shè)備來說，能保證產(chǎn)品的一致性。

安全與保護(hù)方面

• 多通道LED驅(qū)動(dòng)與故障檢測：擁有七個(gè)LED驅(qū)動(dòng)器，并具備LED故障（短路/開路）檢測功能，能及時(shí)發(fā)現(xiàn)并報(bào)告LED的故障情況，提高了顯示制造過程的良品率，也便于在正常運(yùn)行時(shí)監(jiān)測背光故障。
• 多重保護(hù)機(jī)制：具備內(nèi)部熱保護(hù)和背光安全調(diào)光功能，以及低輸入電壓檢測和關(guān)斷功能，能有效保護(hù)芯片在各種異常情況下不受損壞。例如，當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)故障導(dǎo)致電池完全放電時(shí)，低輸入電壓檢測會(huì)自動(dòng)關(guān)閉芯片，避免進(jìn)一步損壞。

應(yīng)用場景

• 中等尺寸LCD顯示背光：適用于大于10英寸的LCD顯示屏背光，能為其提供穩(wěn)定、均勻的背光效果。在一些工業(yè)控制顯示器、車載顯示屏等中等尺寸顯示設(shè)備中有著廣泛的應(yīng)用。
• LED照明：在一些需要精確控制亮度和顏色的LED照明場景中，LP8543也能發(fā)揮出色的作用。

電氣特性

電源相關(guān)特性

• 輸入輸出電壓范圍：輸入電壓范圍為5.5V至22V，輸出電壓范圍為0至40V，能滿足不同應(yīng)用場景的電壓需求。
• 電源電流：在待機(jī)模式下，內(nèi)部LDO禁用時(shí)，待機(jī)電源電流最大為1μA；在正常模式下，LDO啟用且升壓啟用，但無電流通過LED輸出時(shí)，正常模式電源電流典型值為3.5mA。這表明芯片在不同工作模式下的功耗控制較為出色。

升壓轉(zhuǎn)換器特性

• 開關(guān)特性：開關(guān)導(dǎo)通電阻典型值為0.12Ω，開關(guān)頻率可在625kHz和1250kHz之間選擇，能根據(jù)實(shí)際需求靈活調(diào)整。
• 輸出能力：升壓最大輸出電壓為38V，最大連續(xù)負(fù)載電流在不同輸入電壓下有所不同，例如在VIN ≥ 12V、VOUT = 38V時(shí)為400mA，在VIN = 5.5V、VOUT = 38V時(shí)為180mA。

LED驅(qū)動(dòng)特性

• 電流控制：輸出電流精度在輸出電流設(shè)置為20mA時(shí)，誤差范圍為±3%至±4%，各通道之間的匹配度較高，例如在輸出電流設(shè)置為20mA時(shí)，OUT1 - 7的匹配度典型值為0.8%，OUT1 - 6的匹配度典型值為0.5%。
• PWM控制：PWM輸出分辨率根據(jù)不同的頻率有所變化，例如在fPWM_OUT ≤ 4883Hz時(shí)為10位，在fPWM_OUT = 9766Hz時(shí)為9位，在fPWM_OUT = 19531Hz時(shí)為8位。

功能實(shí)現(xiàn)與控制

亮度控制方法

• 電流控制：芯片激活時(shí)，8位LED電流默認(rèn)值從EEPROM讀取，電流控制范圍為0至60mA，步長為0.23mA，可通過串行接口覆蓋默認(rèn)設(shè)置，實(shí)現(xiàn)對(duì)背光亮度的精細(xì)調(diào)整。這使得在不同LED芯片的應(yīng)用中，能夠根據(jù)實(shí)際情況調(diào)整電流，以達(dá)到最佳的亮度效果。
• 內(nèi)部PWM控制：基于寄存器的8位PWM控制，通過分段線性轉(zhuǎn)換曲線將寄存器值轉(zhuǎn)換為LED PWM值，曲線系數(shù)存儲(chǔ)在EEPROM中，可對(duì)100%亮度和調(diào)光行為進(jìn)行校準(zhǔn)。LED PWM頻率可在229Hz至19.5kHz之間選擇，還可使用PSPWM進(jìn)一步優(yōu)化。
• 外部PWM控制：可使用外部PWM信號(hào)設(shè)置顯示亮度，芯片通過測量輸入信號(hào)的占空比來計(jì)算輸出PWM值，輸入PWM頻率范圍為100Hz至25kHz。根據(jù)配置，外部PWM控制可以線性降低由亮度寄存器設(shè)置的值，也可作為唯一的控制方式。
• 環(huán)境光感應(yīng)：通過連接外部環(huán)境光傳感器，可根據(jù)環(huán)境光強(qiáng)度自動(dòng)調(diào)整LED亮度。光到頻率型光傳感器可連接到LP8543的ALSI輸入，響應(yīng)設(shè)置的傳輸曲線系數(shù)存儲(chǔ)在EEPROM中。芯片還提供ALSO輸出，用于激活光傳感器。

校準(zhǔn)與EEPROM編程

LP8543內(nèi)部的EEPROM用于存儲(chǔ)各種控制參數(shù)，方便對(duì)背光亮度進(jìn)行校準(zhǔn)。編程EEPROM非常簡單，用戶只需將數(shù)據(jù)寫入影子RAM內(nèi)存，然后發(fā)出EEPROM寫入命令即可。芯片的片上升壓轉(zhuǎn)換器會(huì)產(chǎn)生所需的擦除和編程電壓，無需額外的外部電壓。

串行通信

支持SMBus和I2C兩種串行協(xié)議，通過IF_SEL輸入進(jìn)行選擇。當(dāng)IF_SEL為高時(shí)選擇SMBus接口，為低時(shí)選擇I2C接口。這種雙協(xié)議支持使得芯片在不同的通信環(huán)境中都能靈活應(yīng)用。

外部組件推薦

電感選擇

電感的選擇對(duì)升壓轉(zhuǎn)換器的性能至關(guān)重要。建議選擇飽和電流大于計(jì)算值的電感，計(jì)算公式為(I{SAT}>frac{I{OUTMAX }}{D'}+I{RIPPLE })，其中(I{RIPPLE }=frac{left(V{OUT }-V{IN }right)}{(2 × L × f)} × frac{V{IN }}{V{OUT }})，(D=frac{left(V{OUT }-V{IN }right)}{left(V_{OUT }right)})，(D'=(1 - D))。一般來說，推薦使用15μH的屏蔽電感，其飽和電流額定值應(yīng)大于0.9至2.5A（可編程到EEPROM），電阻應(yīng)小于300mΩ，以保證良好的效率。同時(shí)，為了減少輻射噪聲，應(yīng)選擇具有高頻鐵芯材料（如鐵氧體）的屏蔽電感，并將其放置在靠近SW引腳和IC的位置。

輸出電容

輸出電容建議使用額定電壓為50V或更高的陶瓷電容。由于直流偏置效應(yīng)可能會(huì)使有效電容降低達(dá)80%，因此在選擇電容值時(shí)需要考慮這一因素。對(duì)于輕負(fù)載（<100mA），4.7μF的電容就足夠了；對(duì)于最大輸出電壓/電流，推薦使用10μF的電容（在38V時(shí)有效電容為4μF），以減少輸出紋波。此外，建議在輸出電容上并聯(lián)一個(gè)33pF的小電容，以抑制高頻噪聲。

LDO電容

LDO電容推薦使用額定電壓為10V的470nF陶瓷電容，以保證LDO的穩(wěn)定輸出。

輸出二極管

輸出二極管應(yīng)使用肖特基二極管，其峰值重復(fù)電流應(yīng)大于電感峰值電流（0.9至2.5A），平均電流額定值應(yīng)大于最大輸出電流。選擇具有低正向壓降和快速開關(guān)速度的肖特基二極管，有助于提高便攜式應(yīng)用的效率。同時(shí)應(yīng)選擇反向擊穿電壓明顯大于輸出電壓（約60V）的二極管，避免使用普通整流二極管，因?yàn)槠渎匍_關(guān)速度和長恢復(fù)時(shí)間會(huì)影響效率和負(fù)載調(diào)節(jié)性能。

環(huán)境光傳感器

LP8543使用光到頻率型環(huán)境光傳感器，適合的頻率范圍為200Hz至2MHz。

總結(jié)

LP8543是一款功能強(qiáng)大、性能出色的WLED驅(qū)動(dòng)芯片，具有高效的電源管理、豐富的控制功能、完善的安全保護(hù)機(jī)制以及廣泛的應(yīng)用場景。在設(shè)計(jì)過程中，合理選擇外部組件對(duì)于發(fā)揮芯片的最佳性能至關(guān)重要。希望通過本文的介紹，能幫助各位工程師更好地了解和應(yīng)用LP8543芯片。大家在實(shí)際應(yīng)用過程中遇到任何問題，歡迎一起交流探討。