MAX16927：汽車TFT - LCD電源解決方案

在汽車電子領(lǐng)域，TFT - LCD顯示屏的應(yīng)用日益廣泛，而穩(wěn)定可靠的電源供應(yīng)是確保其正常工作的關(guān)鍵。MAX16927作為一款高度集成的汽車TFT - LCD電源解決方案，具有諸多出色的特性和功能。今天，我們就來深入了解一下這款芯片。

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一、芯片概述

MAX16927專為汽車TFT - LCD應(yīng)用而設(shè)計(jì)，集成了一個(gè)降壓轉(zhuǎn)換器、一個(gè)升壓轉(zhuǎn)換器、一個(gè)Cuk轉(zhuǎn)換器、兩個(gè)柵極電壓控制器和兩個(gè)VCOM緩沖器，其中一個(gè)VCOM緩沖器支持負(fù)輸出電壓。它可以在4.5V至16V的電源電壓下工作，也能使用3V至5.5V的電源，這種寬電壓范圍的支持使其非常適合汽車環(huán)境的復(fù)雜供電需求。

芯片采用集成的SPI接口進(jìn)行控制和診斷，通過內(nèi)部7位DAC可將VCOM緩沖器輸出調(diào)整至最高+1V。啟動(dòng)和關(guān)閉序列可以通過SPI控制，也可以使用三種預(yù)設(shè)的獨(dú)立模式進(jìn)行控制。

二、關(guān)鍵特性與優(yōu)勢

1. 寬電壓范圍與靈活配置

• 工作電壓范圍為4.5V至16V（IN3）或3V至5.5V（INA），適應(yīng)不同的電源環(huán)境。
• 16V輸入、2A降壓轉(zhuǎn)換器可提供3.3V輸出，為TFT偏置電源電路和其他外部電路供電。
• 靈活的配置允許實(shí)現(xiàn)單高功率正輸出（18V/200mA）或正輸出（18V，100mA）和負(fù)輸出（ - 12V/100mA）。

2. 低EMI設(shè)計(jì)

• 采用擴(kuò)頻功能降低峰值干擾，降壓轉(zhuǎn)換器始終啟用擴(kuò)頻，升壓和Cuk轉(zhuǎn)換器可通過外部輸入（SSEN）啟用。
• 升壓和Cuk轉(zhuǎn)換器以180°異相運(yùn)行，進(jìn)一步增強(qiáng)EMI抑制效果。

3. 其他特性

• 具有一個(gè)用于nMOS開關(guān)的控制輸出，可靈活控制負(fù)VSL輸出的時(shí)序。
• 升壓轉(zhuǎn)換器配備用于串聯(lián)pMOS開關(guān)的驅(qū)動(dòng)輸出，支持True Shutdown?功能。
• 工作溫度范圍為 - 40°C至 + 105°C，符合AEC - Q100標(biāo)準(zhǔn)，適用于汽車級應(yīng)用。

三、各部分電路詳細(xì)分析

1. 3.3V降壓轉(zhuǎn)換器

• 工作原理：采用電流模式降壓轉(zhuǎn)換器，集成了高端FET，無需外部補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)，可將輸出電壓穩(wěn)定在3.3V，最小輸出電流為2A。
• 關(guān)鍵特性：2.1MHz（典型值）的高開關(guān)頻率允許使用小型外部組件，減少輸出紋波，并避免AM干擾。具有電源良好（PGOOD）指示器，可監(jiān)測輸出電壓質(zhì)量。關(guān)閉降壓轉(zhuǎn)換器可將電源電流降至10μA。
• 控制與保護(hù)：通過EN3輸入激活，EN3兼容 + 3.3V邏輯電平，最高可承受20V電壓，內(nèi)部有500kΩ下拉電阻。具有欠壓鎖定（UVLO）功能，當(dāng)VAVL超過內(nèi)部UVLO電平（典型值2.7V）時(shí)，LX開始切換。在檢測到四次電流限制事件后進(jìn)入軟啟動(dòng)，若輸出在軟啟動(dòng)定時(shí)器到期前未達(dá)到最終值，將停止切換一段時(shí)間后重新嘗試調(diào)節(jié)輸出。還具備過流保護(hù)和熱過載保護(hù)功能。

2. 升壓轉(zhuǎn)換器

• 工作原理：采用電流模式、固定頻率PWM架構(gòu)，以1.2MHz的開關(guān)頻率運(yùn)行，可使用低剖面電感和陶瓷電容，減少LCD面板設(shè)計(jì)的厚度。通過外部電阻分壓器可將輸出電壓設(shè)置在VINA至18V之間。
• 控制與保護(hù)：誤差放大器將FBP信號與1V進(jìn)行比較，調(diào)整COMPP輸出以設(shè)置電感峰值電流。外部p - 通道FET由GATE控制，可在故障條件下保護(hù)輸出并實(shí)現(xiàn)真正的關(guān)機(jī)。
• 電流限制：有效電流限制會(huì)根據(jù)占空比進(jìn)行調(diào)整，可通過SPI設(shè)置不同的電流限制值。

3. Cuk轉(zhuǎn)換器

• 工作原理：采用與升壓轉(zhuǎn)換器類似的控制器架構(gòu)，產(chǎn)生負(fù)輸出。通過特定的網(wǎng)絡(luò)和電容實(shí)現(xiàn)電壓轉(zhuǎn)換，輸入和輸出電壓之間存在特定的關(guān)系。
• 控制與保護(hù)：啟動(dòng)時(shí)，根據(jù)EN1和EN2的配置，可關(guān)閉n - 通道FET，讓電荷泵電壓穩(wěn)定。當(dāng)VCOMN連接到Cuk轉(zhuǎn)換器輸出時(shí)，VVSL必須限制在 - 7V以內(nèi)。
• 高功率應(yīng)用：將FBN連接到INA并并聯(lián)升壓和Cuk功率級，可提供兩倍功率的升壓轉(zhuǎn)換器輸出。

4. 正柵極電壓線性調(diào)節(jié)器（VGH）

• 工作原理：包括p - 通道FET輸出級，可產(chǎn)生 + 5V至 + 22V的穩(wěn)壓輸出，能夠提供至少20mA的輸出電流，并具備電流限制保護(hù)。
• 輸出電壓選擇：通過電阻分壓器可調(diào)整輸出電壓，同時(shí)要注意避免內(nèi)部pMOS器件的過度功耗。
• 穩(wěn)定性要求：需要最小輸出電容以確保穩(wěn)定性，對于5V至22V的輸出電壓和10mA至15mA的輸出電流，建議使用最小0.47μF的電容。

5. 負(fù)柵極電壓線性調(diào)節(jié)器控制器（VGL）

• 工作原理：是一個(gè)模擬增益塊，帶有開漏p - 通道輸出，驅(qū)動(dòng)外部npn傳輸晶體管，保證的基極驅(qū)動(dòng)源電流至少為2mA。
• 輸出電壓選擇：通過電阻分壓器調(diào)整輸出電壓，選擇合適的傳輸晶體管以滿足電流增益、輸入電容、集電極 - 發(fā)射極飽和電壓和功耗等要求。
• 穩(wěn)定性要求：通過內(nèi)部跨導(dǎo)放大器驅(qū)動(dòng)外部傳輸晶體管，需要合理選擇組件以確保環(huán)路穩(wěn)定性。

6. VCOM緩沖器

• 工作原理：VCOMH和VCOML緩沖器可保持輸出電壓穩(wěn)定，能夠快速向TFT LCD面板的背板等電容性負(fù)載提供和吸收大電流。
• 控制與配置：在獨(dú)立模式下，通過VCINH和VCINL輸入設(shè)置輸出電壓。芯片集成了7位VCOM數(shù)模轉(zhuǎn)換器（DAC），可通過SPI控制輸出極性和幅度，分辨率為7.8mV。

四、設(shè)計(jì)要點(diǎn)

1. 電感選擇

• 降壓轉(zhuǎn)換器：需要考慮電感值、飽和電流和直流電阻。電感值根據(jù)電感峰 - 峰交流電流與直流平均電流的比值（LIR）來確定，一般選擇30%至60%的LIR值。同時(shí)，要確保飽和電流足夠高，以避免在最大電流限制值以上發(fā)生飽和。
• 升壓轉(zhuǎn)換器和Cuk轉(zhuǎn)換器：選擇電感的考慮因素與降壓轉(zhuǎn)換器類似，可根據(jù)相應(yīng)的公式計(jì)算合適的電感值。

2. 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。根據(jù)不同的電路，計(jì)算電容的IRMS額定值和輸出電壓紋波。
• 對于Cuk轉(zhuǎn)換器的耦合電容，要根據(jù)電容電壓紋波比（CVR）計(jì)算其值，并確保其電壓額定值足夠高。

3. 二極管選擇

• 整流二極管應(yīng)選擇肖特基類型，以最小化電壓降并提高效率。要確保二極管能夠承受足夠的反向電壓和正向電流。

4. 電荷泵設(shè)計(jì)

• 對于大多數(shù)應(yīng)用，單級電荷泵即可滿足需求。根據(jù)不同的連接方式和應(yīng)用場景，計(jì)算電荷泵的輸出電壓。
• 選擇合適的飛跨電容和輸出電容，以降低輸出紋波電壓和提高輸出電流能力。

5. PCB布局

• 仔細(xì)的PCB布局對于實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定和優(yōu)化的性能至關(guān)重要。要將去耦電容盡可能靠近IC放置，連接電源接地平面和模擬接地平面，并保持高電流路徑短而寬。
• 反饋電阻應(yīng)靠近IC，將數(shù)字I/O和高速開關(guān)節(jié)點(diǎn)與敏感模擬節(jié)點(diǎn)分開布線。

五、SPI接口與控制

MAX16927具有SPI接口，包括時(shí)鐘信號（CLK）、數(shù)據(jù)輸入（DIN）、芯片選擇輸入（CS）和數(shù)據(jù)輸出（DOUT）。通過SPI接口，可以獨(dú)立啟用和禁用每個(gè)開關(guān)和線性調(diào)節(jié)器，讀取設(shè)備的狀態(tài)和電源良好指示器信息，還可以設(shè)置軟啟動(dòng)時(shí)間和電流限制等參數(shù)。

六、總結(jié)

MAX16927是一款功能強(qiáng)大、集成度高的汽車TFT - LCD電源解決方案，它在電壓范圍、EMI抑制、靈活性和保護(hù)功能等方面都表現(xiàn)出色。在設(shè)計(jì)過程中，合理選擇組件和進(jìn)行PCB布局是確保其性能的關(guān)鍵。希望通過本文的介紹，能幫助電子工程師更好地理解和應(yīng)用MAX16927芯片。大家在實(shí)際應(yīng)用中遇到過哪些問題呢？歡迎在評論區(qū)交流分享。