汽車顯示電源的理想之選：MAX20067/MAX20067B深度解析

在汽車電子領(lǐng)域，TFT-LCD 顯示屏的廣泛應(yīng)用對顯示驅(qū)動電源提出了更高要求。MAX20067/MAX20067B 作為 Maxim Integrated 推出的汽車 3 通道顯示偏置 IC，憑借其高度集成、多功能和高性能等特點(diǎn)成為了眾多設(shè)計的理想之選。下面，我將深入剖析這款芯片，為電子工程師們在硬件設(shè)計開發(fā)中提供有價值的參考。

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功能特性概述

MAX20067/MAX20067B 專為汽車 TFT-LCD 應(yīng)用打造，集成了一個電流模式升壓轉(zhuǎn)換器、兩個推挽式電荷泵驅(qū)動器、一個門控陰影推挽式電平轉(zhuǎn)換器、一個 DAC 和 VCOM 緩沖器，所有模塊既可以獨(dú)立工作，也能通過 (I^{2}C) 接口進(jìn)行控制，支持 2.7V 至 5.5V 電源供電，工作溫度范圍為 -40°C 至 +105°C，采用 32 引腳 TQFN 封裝。它適用于信息娛樂顯示屏、中央信息顯示屏、儀表盤等汽車顯示場景。

靈活電源部分

• 集成升壓轉(zhuǎn)換器：輸出電壓最高可達(dá) 18V，有高功率（MAX20067）和低功率（MAX20067B）兩種選項。
• 集成電荷泵驅(qū)動器：提供 VGON（最大 +32V）和 VGOFF（最小 -24V）輸出。

低 EMI 運(yùn)行

• 可編程開關(guān)頻率：支持 440kHz 或 2.2MHz 的開關(guān)頻率。
• 可編程擴(kuò)頻：有效降低電磁干擾。

全面控制與診斷

• (I^{2}C) 接口：實現(xiàn)全面的控制功能、診斷和監(jiān)測。
• 擴(kuò)展診斷：可檢測 HVINP、VGON、VGOFF 的欠壓/過壓，AVDD 的過流以及溫度警告。

其他特性

• 內(nèi)置門控陰影電路：由 CTL 輸入控制，可改善顯示均勻性。
• 8 位 DAC 控制的 VCOM 緩沖器：提供穩(wěn)定的 VCOM 輸出。
• 高可靠性：工作溫度范圍寬，具備內(nèi)部溫度關(guān)斷功能，符合 AEC-Q100 標(biāo)準(zhǔn)。
• 緊湊封裝：采用 32 引腳（5mm x 5mm）TQFN 封裝，節(jié)省 PCB 空間。

關(guān)鍵模塊詳細(xì)分析

TFT 電源部分

源極驅(qū)動器電源

源極驅(qū)動器電源由升壓轉(zhuǎn)換器提供，可產(chǎn)生最大 +18V 電壓，最大輸出電流可達(dá) +200mA（MAX20067B 為 +100mA）。其調(diào)節(jié)電壓（HVINP）通過 FBP 上的電阻分壓器設(shè)置，采用恒定頻率峰值電流模式控制，內(nèi)部固定斜率補(bǔ)償確?？刂骗h(huán)路穩(wěn)定。在低輸出功率時，轉(zhuǎn)換器進(jìn)入跳周期模式以提高效率。

柵極驅(qū)動器電源

正柵極驅(qū)動器電荷泵（VGON）可產(chǎn)生最大 +32V 電壓，負(fù)柵極驅(qū)動器電荷泵（VGOFF）可產(chǎn)生最小 -24V 電壓。正電荷泵電流能力為 10mA（采用倍壓電荷泵），負(fù)電荷泵為 3mA（假設(shè)為 2 級電荷泵）。VGON 和 VGOFF 的調(diào)節(jié)電壓通過外部電阻網(wǎng)絡(luò)設(shè)置，兩個電荷泵均采用 440kHz 開關(guān)頻率。

電荷泵工作原理

正電荷泵

正電荷泵通常用于為 TFT-LCD 柵極驅(qū)動器 IC 生成正電源軌。輸出電壓通過外部電阻分壓器設(shè)置，中點(diǎn)連接到 FBGH。采用簡單的跳周期控制方案，將反饋信號（FBGH）與 1.25V 內(nèi)部參考進(jìn)行比較，根據(jù)比較結(jié)果控制 DRVP 周期，實現(xiàn)功率傳輸。

負(fù)電荷泵

負(fù)電荷泵用于生成負(fù)電源軌，輸出電壓通過外部電阻分壓器從其輸出到 REF 設(shè)置，中點(diǎn)連接到 FBGL。同樣采用比較反饋信號（FBGL）與內(nèi)部參考電壓的方式控制 DRVN 周期，實現(xiàn)電荷轉(zhuǎn)移。

故障保護(hù)機(jī)制

芯片具備強(qiáng)大的故障和過載保護(hù)功能。當(dāng)源極驅(qū)動器或柵極驅(qū)動器電源電壓低于編程調(diào)節(jié)電壓的 80%（典型值）或高于 115% 超過 60ms（典型值，默認(rèn)），或者源極驅(qū)動器電源出現(xiàn)短路（輸出電壓低于預(yù)期調(diào)節(jié)電壓的 40% 超過 10μs）時，所有輸出將關(guān)閉并設(shè)置故障狀態(tài)。故障狀態(tài)可通過循環(huán) ENP 引腳或 INA 電源，或在重試定時器（2.4s 典型值，默認(rèn)）超時后清除。如果發(fā)生熱故障，芯片將立即關(guān)閉，直到溫度下降 15°C（典型值）。

輸出控制與時序

源極驅(qū)動器和柵極驅(qū)動器輸出（AVDD、VGON 和 VGOFF）的時序可通過 SEQ 引腳設(shè)置或通過 (I^{2}C) 接口控制。所有輸出均采用軟啟動控制以限制浪涌電流，關(guān)閉時按順序進(jìn)行，升壓轉(zhuǎn)換器最后關(guān)閉。所有輸出提供有源下拉功能，便于控制放電。

門控陰影電平轉(zhuǎn)換器

當(dāng)所有穩(wěn)壓器軟啟動完成且 DEL 引腳超過其啟用閾值時，門控陰影電平轉(zhuǎn)換器啟用。通過 DEL 引腳電容和內(nèi)部 5μA 電流源可調(diào)節(jié)啟動延遲時間。轉(zhuǎn)換器狀態(tài)由 CTL 和 MODE 輸入控制，MODE 引腳電容可用于延遲 GATES 輸出的下降時間。

VCOM 緩沖器

當(dāng) AVDD 超過其電源良好閾值時，VCOM 緩沖器啟用。其正電源為 VCOMP（通常連接到 AVDD 輸出），負(fù)電源為地。輸出電壓默認(rèn)設(shè)置為 (V_{COMP}) 的一半，可通過驅(qū)動 VCINH 引腳或使用 (I^{2}C) 接口寫入內(nèi)部 DAC 進(jìn)行控制。輸出可提供或吸收最大 130mA 電流，使用時需連接一個 1μF 陶瓷電容到地。當(dāng) VCINH 和 VCOM 輸出引腳之間的電壓差大于 250mV 時，檢測到 VCOM 緩沖器故障，故障可通過寫入相應(yīng)故障位清除。

(I^{2}C) 接口與寄存器配置

(I^{2}C) 接口概述

芯片包含 (I^{2}C) 串行接口，作為從設(shè)備工作。數(shù)據(jù)傳輸?shù)幕締卧獮?8 位，通過連接 SEQ 引腳到 GND 選擇 (I^{2}C) 模式。電源上電序列可通過手動或自動兩種方式控制。

手動控制模式

在手動模式下，(I^{2}C) 主機(jī)使用調(diào)節(jié)器控制寄存器（0x02）中的位單獨(dú)啟用輸出。如果檢測到故障，故障輸出在相應(yīng)的去毛刺時間后禁用，且不執(zhí)行重試功能。

自動控制模式

在自動模式下，通過 autoseq_row1 - autoseq_row3 和 textd_dly1、textd_dly2 位預(yù)設(shè)序列，然后設(shè)置 autoseq_ctrl 位執(zhí)行序列。如果發(fā)生故障，故障輸出關(guān)閉，其他輸出按設(shè)置順序關(guān)閉。如果啟用重試功能，將在適當(dāng)延遲后嘗試重試。

寄存器配置

芯片提供了多個寄存器用于配置和狀態(tài)監(jiān)測，如設(shè)備 ID 寄存器（0x00）、配置寄存器（0x01）、調(diào)節(jié)器控制寄存器（0x02）、調(diào)節(jié)器電源狀態(tài)寄存器（0x03）等。通過對這些寄存器的操作，可以實現(xiàn)對芯片各項功能的靈活控制和狀態(tài)監(jiān)測。

應(yīng)用設(shè)計指南

升壓轉(zhuǎn)換器設(shè)計

電感選擇

升壓電感的值根據(jù)公式 (L=frac{(V{INA } × D)}{(LIR × I{INA } × f{SW})}) 計算，其中 (V{INA}) 為升壓輸入電壓，D 為占空比，LIR 為電感電流紋波因數(shù)（取值范圍 0.5 至 1），(I{INA}) 為升壓轉(zhuǎn)換器輸入電流，(f{SW}) 為開關(guān)頻率（2.2MHz 或 440kHz）。占空比 D 可通過公式 (D=frac{(1 - η × V{INA })}{V{OUT }}) 計算，(I{INA}) 可通過公式 (I{INA }=frac{(v{OUT } × I{OUT })}{(n × V{INA })}) 估算，其中 (η) 為轉(zhuǎn)換器效率（假設(shè)為 0.85），(V{OUT}) 為升壓輸出電壓，(I_{OUT}) 為升壓輸出電流。

電容選擇

輸入和輸出濾波電容應(yīng)選擇低 ESR 類型（如鉭電容、陶瓷電容或低 ESR 電解電容），其 RMS 電流額定值應(yīng)大于相應(yīng)的計算值。輸出電壓的紋波分量由 ESR 和電容值決定，可通過相應(yīng)公式計算。

輸出電壓選擇

升壓轉(zhuǎn)換器的輸出電壓可通過 RTOP 和 RBOTTOM 組成的電阻分壓器進(jìn)行調(diào)整。選擇 RBOTTOM 在 10kΩ 至 50kΩ 范圍內(nèi)，RTOP 可通過公式 (R{TOP }=R{BOTTOM } × ((frac{V_{OUT }}{1.25}) - 1)) 計算。

電荷泵調(diào)節(jié)器設(shè)計

電荷泵級數(shù)選擇

為了獲得最高效率，應(yīng)選擇滿足輸出電壓要求的最少電荷泵級數(shù)。正電荷泵級數(shù) (n{POS}) 和負(fù)電荷泵級數(shù) (n{NEG}) 可通過相應(yīng)公式計算。

飛跨電容選擇

增加飛跨電容（連接到 DRVN 和 DRVP）的值可降低有效源阻抗并提高輸出電流能力，但電容值過大對輸出電流能力的影響不大。一般選擇 0.1μF 陶瓷電容，其電壓額定值應(yīng)超過 (n × V_{HVINP})。

電荷泵輸出電容選擇

增加輸出電容或降低 ESR 可減少輸出紋波電壓和峰峰值瞬態(tài)電壓。使用公式 (C{OUT_CP }>frac{I{LOAD_CP }}{2 × f{SW} × V{RIPPLE_CP }}) 可近似計算所需的電容值。

PCB 布局注意事項

• 電源和模擬地分離：在 PCB 上分離電源地和模擬地，并在單點(diǎn)連接。
• 反饋電阻連接：將所有反饋電阻分壓器連接到模擬或“安靜”地，REF 和 INA 電容也應(yīng)如此。反饋電阻應(yīng)靠近相關(guān)引腳放置，以避免噪聲拾取。
• 去耦電容放置：去耦電容應(yīng)盡可能靠近各自的引腳放置。
• 高電流路徑設(shè)計：保持高電流路徑短而寬，以降低電阻和電感。
• 高速開關(guān)節(jié)點(diǎn)布線：將高速開關(guān)節(jié)點(diǎn)（如 LXP、DRVN 和 DRVP）遠(yuǎn)離敏感模擬節(jié)點(diǎn)（如 FBP、FBGH、FBGL 和 REF）布線。

總結(jié)

MAX20067/MAX20067B 以其高度集成的特性、豐富的功能和可靠的性能，為汽車 TFT-LCD 顯示應(yīng)用提供了一站式解決方案。電子工程師在設(shè)計過程中，通過合理選擇外部元件、優(yōu)化 PCB 布局和靈活配置寄存器，可以充分發(fā)揮該芯片的優(yōu)勢，實現(xiàn)高性能、高可靠性的汽車顯示電源設(shè)計。大家在實際應(yīng)用中是否遇到過類似芯片的使用難題呢？歡迎在評論區(qū)分享交流。