探索MAX17126B：多功能LCD TV電源解決方案

在電子設備飛速發(fā)展的今天，LCD TV作為家庭娛樂的核心設備，對其電源系統(tǒng)的性能和穩(wěn)定性提出了更高的要求。Maxim Integrated推出的MAX17126B多輸出電源芯片，專為TFT LCD TV面板設計，集成了多種功能，為LCD TV電源設計提供了一站式解決方案。

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一、產品概述

MAX17126B能夠從12V穩(wěn)壓輸入為TFT LCD TV面板生成所有電源軌。它集成了降壓和升壓調節(jié)器、正負電荷泵、運算放大器、高精度高壓伽馬參考以及高壓開關控制塊等多種功能模塊。該芯片可在8V至16.5V的輸入電壓范圍內工作，針對直接由12V電源供電的LCD TV面板進行了優(yōu)化。

二、關鍵特性

1. 寬輸入電壓范圍

支持8.0V至16.5V的輸入電壓，適應不同的電源環(huán)境，增強了產品的通用性。

2. 可選擇的開關頻率

提供500kHz/750kHz兩種開關頻率選擇，用戶可以根據(jù)具體應用需求優(yōu)化設計。高頻（750kHz）操作可使組件尺寸最小化，但會因更高的開關損耗而犧牲一些效率；低頻（500kHz）操作則能提供最佳的整體效率，但需要更大的組件尺寸和電路板空間。

3. 高效的調節(jié)器

• 降壓調節(jié)器：采用固定頻率電流模式控制架構，具有快速的負載瞬態(tài)響應和易于補償?shù)奶攸c。內置20V、3.2A、100mΩ MOSFET，效率高，還具備3ms內部軟啟動功能，可有效限制啟動時的浪涌電流。
• 升壓調節(jié)器：同樣采用固定頻率電流模式控制，提供TFT源極驅動器電源電壓。內置20V、3.5A、100mΩ MOSFET，具有快速的負載瞬態(tài)響應和高精度的輸出電壓（1.0%）?？赏ㄟ^CLIM引腳的電阻調節(jié)電流限制，還具備可調軟啟動功能。

4. 電荷泵調節(jié)器

• 正電荷泵調節(jié)器：輸出電壓可通過外部電阻分壓器調節(jié)，具有7位電壓斜坡軟啟動功能，可防止高峰值電流。
• 負電荷泵調節(jié)器：同樣可調節(jié)輸出電壓，在降壓調節(jié)器軟啟動完成后啟用，也具備軟啟動功能。

5. 高性能運算放大器

專為驅動LCD背板（VCOM）設計，具有±200mA的短路電流、45V/μs的壓擺率、20MHz的帶寬和軌到軌輸出，為LCD顯示提供穩(wěn)定的驅動信號。

6. 高精度高壓伽馬參考

誤差控制在≤0.5%以內，可提供超過60mA的電流，為LCD顯示的伽馬校正提供精確的參考電壓。

7. 保護功能

具備輸入欠壓鎖定、熱過載保護、短路保護等多種保護功能，確保芯片在各種異常情況下的安全運行。

三、典型應用電路

典型操作電路（圖1）構成了一個完整的TFT LCD TV面板電源系統(tǒng)，可生成+3.3V邏輯電源、+16V源極驅動器電源、+35V正柵極驅動器電源、-6V負柵極驅動器電源以及≤0.5%高精度、高壓伽馬參考。

1. 降壓調節(jié)器

• 工作原理：由內部n溝道MOSFET、無損電流檢測網絡、電流限制比較器和PWM控制器塊組成。通過改變高端MOSFET的占空比來調節(jié)輸出電壓，采用0.1μF的飛跨電容的自舉電路為高端柵極驅動器提供電源電壓。
• 反饋模式：支持固定輸出和可調輸出兩種模式。將FB2連接到GND可啟用3.3V固定輸出電壓；通過在OUT和GND之間連接電阻分壓器，并將中心抽頭連接到FB2，可調節(jié)輸出電壓。
• 軟啟動：包含7位軟啟動DAC，將內部參考電壓從0逐步提升到1.25V，軟啟動周期為3ms，在此期間禁用FB2故障檢測，有效限制啟動時的浪涌電流。

2. 升壓調節(jié)器

• 工作原理：采用電流模式、固定頻率PWM架構，集成MOSFET和內置數(shù)字軟啟動功能，減少了外部組件數(shù)量，同時控制浪涌電流。通過調節(jié)內部功率MOSFET的占空比來控制輸出電壓和輸出功率。
• 外部pMOS開關：可在升壓調節(jié)器肖特基捕獲二極管的陰極和VAVDD濾波電容之間安裝一個外部p溝道MOSFET，用于在設備正常啟動后對AVDD進行電源排序，限制輸出電容初始充電時的輸入浪涌電流，并在升壓調節(jié)器禁用時提供真正的關斷功能。
• 軟啟動：通過線性增加內部電流限制來實現(xiàn)軟啟動，可根據(jù)SS引腳電容大小選擇內部或外部軟啟動方式，有效限制啟動時的浪涌電流。

3. 電荷泵調節(jié)器

• 正電荷泵調節(jié)器：用于為TFT LCD柵極驅動器IC生成正電源軌，輸出電壓通過外部電阻分壓器設置。采用高側p溝道MOSFET和低側n溝道MOSFET控制功率傳輸，每次啟用時都有軟啟動功能，限制啟動時的浪涌電流。
• 負電荷泵調節(jié)器：用于生成負電源軌，輸出電壓同樣通過外部電阻分壓器設置。在降壓調節(jié)器軟啟動完成后啟用，每次啟用時也有軟啟動功能。

4. 高壓開關控制

由兩個高壓p溝道MOSFET組成，通過GVOFF控制開關狀態(tài)。當GVOFF為邏輯高時，連接VGHM到VGH；當GVOFF為邏輯低時，連接VGHM到DRN。在LCD關閉或處于故障狀態(tài)時，開關控制塊禁用，DLY1保持低電平。

5. 運算放大器

用于驅動LCD背板（VCOM），具有高輸出短路電流、快速壓擺率和寬帶寬等特點。具備短路電流限制和輸入鉗位功能，可防止輸出短路時芯片過熱。在驅動純電容負載時，需要采取措施確保穩(wěn)定運行，如在OPO和電容負載之間放置小電阻或串聯(lián)RC網絡。

6. 線性調節(jié)器（VL）

輸入電壓范圍為8V至16.5V，輸出電壓設定為5V，為內部MOSFET驅動器、PWM控制器、電荷泵調節(jié)器和邏輯電路供電，總外部負載能力為25mA。

7. 參考電壓（REF）

參考輸出標稱值為1.25V，可提供至少50μA的電流，通過在REF和GND之間連接0.22μF陶瓷電容進行旁路。

8. 高精度高壓伽馬參考

LDO輸出電壓可通過電阻分壓器調節(jié)，具有高輸出精度（≤0.5%）和低壓差電壓（典型值0.25V），可提供至少60mA的電流。

9. XAO功能

XAO是一個開漏輸出，當VDET低于其檢測閾值（典型值1.25V）時連接到GND，同時VGHM連接到VGH。

10. 頻率選擇和異相操作（FSEL）

降壓調節(jié)器和升壓調節(jié)器使用相同的內部振蕩器，F(xiàn)SEL輸入選擇開關頻率。為減少輸入RMS電流，降壓調節(jié)器和升壓調節(jié)器以180°異相工作，允許使用更少的輸入電容。

四、電源上電和掉電序列

1. 上電序列

降壓調節(jié)器在內部參考電壓（REF）高于欠壓鎖定（UVLO）閾值時啟動。降壓調節(jié)器軟啟動完成后，啟用FB2故障檢測電路和負電荷泵。當EN變?yōu)檫壿嫺邥r，升壓調節(jié)器啟用，同時啟用伽馬參考。正電荷泵在升壓調節(jié)器軟啟動完成后啟用，正電荷泵軟啟動完成后，啟用FBP故障檢測電路和高壓開關延遲塊。

2. 掉電序列

當INVL低于其UVLO閾值時，降壓調節(jié)器、升壓調節(jié)器、正電荷泵、負電荷泵和高壓開關塊開始關閉。VL保持穩(wěn)定直到INVL沒有足夠的余量，REF在VL低于其UVLO閾值后開始下降。伽馬參考GREF保持穩(wěn)定直到AVDD沒有足夠的余量，XAO在其輸入電壓低于設計閾值后被拉低。

五、故障保護和熱過載保護

1. 故障保護

在穩(wěn)態(tài)操作期間，如果四個調節(jié)器（降壓調節(jié)器、升壓調節(jié)器、正電荷泵調節(jié)器和負電荷泵調節(jié)器）的任何輸出低于其各自的故障檢測閾值，設備將激活內部故障定時器。如果故障持續(xù)50ms（典型值），設備將鎖定除降壓調節(jié)器（僅在其輸出發(fā)生故障時鎖定）外的所有輸出。如果任何調節(jié)器輸出發(fā)生短路，設備將立即鎖定。

2. 熱過載保護

當結溫超過+160°C時，熱傳感器立即激活故障保護，關閉所有輸出。需要循環(huán)輸入電壓來清除故障鎖定并重新啟動設備。

六、設計步驟

1. 降壓調節(jié)器電感選擇

需要指定電感值（L）、峰值電流（IPEAK）和直流電阻（RDC）三個關鍵參數(shù)。根據(jù)負載電流和開關頻率計算電感值，選擇合適的電感，確保其飽和電流超過峰值電流，直流電阻低以提高效率。

2. 輸入電容選擇

輸入濾波電容用于減少從電源吸取的峰值電流，降低調節(jié)器開關引起的輸入噪聲和電壓紋波。通常根據(jù)輸入紋波電流要求和電壓額定值選擇，陶瓷電容因其高紋波電流和浪涌電流能力而常用。

3. 輸出電容選擇

輸出電容和等效串聯(lián)電阻（ESR）影響調節(jié)器的輸出紋波電壓和瞬態(tài)響應。根據(jù)紋波電壓和負載瞬態(tài)要求確定輸出電容和ESR，確保滿足電壓紋波和負載瞬態(tài)要求。

4. 整流二極管選擇

由于設備的高開關頻率，需要高速整流器，肖特基二極管因其快速恢復時間和低正向電壓而被推薦。

5. 升壓調節(jié)器電感選擇

考慮電感值、峰值電流額定值和串聯(lián)電阻等因素，根據(jù)最大輸出電流、輸入電壓、輸出電壓和開關頻率計算電感值，選擇合適的電感，確保其飽和電流和DC電流額定值滿足要求。

6. 輸出電容選擇

輸出電壓紋波由電容紋波和歐姆紋波組成，對于陶瓷電容，輸出電壓紋波通常由電容紋波主導。選擇輸出電容時需要考慮電壓額定值和溫度特性。

7. 輸入電容選擇

輸入電容用于減少從輸入電源吸取的電流峰值，降低噪聲注入到IC。實際應用中，輸入電容通常可以低于典型操作電路中的值。

8. 輸出電壓選擇

通過在輸出（VAVDD）和GND之間連接電阻分壓器，并將中心抽頭連接到FB1，可調節(jié)升壓調節(jié)器的輸出電壓。

9. 環(huán)路補償

選擇ROMP設置高頻積分器增益以實現(xiàn)快速瞬態(tài)響應，選擇CCOMP設置積分器零點以保持環(huán)路穩(wěn)定性。

10. 電荷泵調節(jié)器

• 選擇電荷泵級數(shù)：根據(jù)輸出要求選擇最低數(shù)量的電荷泵級數(shù)以實現(xiàn)最高效率。
• 飛跨電容：增加飛跨電容值可降低有效源阻抗，提高輸出電流能力，但增加電容對輸出電流能力的影響有限。
• 電荷泵輸出電容：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。
• 輸出電壓選擇：通過連接電阻分壓器可調節(jié)正電荷泵和負電荷泵調節(jié)器的輸出電壓。

11. 高精度高壓伽馬參考

• 輸出電壓選擇：通過在輸出（VREF_O）和AGND之間連接電阻分壓器，并將中心抽頭連接到VREF_FB，可設置LDO的輸出電壓。
• 輸入和輸出電容選擇：為確保LDO的穩(wěn)定性，在調節(jié)器輸入（VREF_I）使用至少1μF電容，在輸出（VREF_O）使用至少2.2μF電容。

12. 設置XAO閾值電壓

通過在輸入VIN和GND之間連接電阻分壓器，并將中心抽頭連接到VDET，可調節(jié)XAO閾值電壓。

七、PCB布局和接地

• 最小化各個DC/DC轉換器的高電流環(huán)路面積，將電感、二極管和輸出電容靠近輸入電容和LX_及PGND引腳放置。
• 為降壓調節(jié)器、升壓調節(jié)器和電荷泵分別創(chuàng)建電源接地島，將它們的接地平面通過寬走線連接。
• 創(chuàng)建模擬接地平面，將PGND和GND島通過接地引腳直接連接到暴露的背面焊盤。
• 將所有反饋分壓器電阻盡可能靠近各自的反饋引腳放置，避免反饋走線靠近高電流節(jié)點。
• 將IN2、VL、REF和VREF_O引腳的旁路電容盡可能靠近設備放置。
• 最小化輸出電容和負載之間的走線長度，最大化走線寬度，以獲得最佳的瞬態(tài)響應。
• 最小化LX1和LX2節(jié)點的尺寸，同時保持其寬度和長度，避免它們靠近反饋節(jié)點和模擬接地。

MAX17126B以其豐富的功能、高效的性能和完善的保護機制，為LCD TV電源設計提供了一個可靠的解決方案。電子工程師在設計過程中，需要根據(jù)具體應用需求，合理選擇組件參數(shù)，優(yōu)化PCB布局，以充分發(fā)揮MAX17126B的優(yōu)勢，實現(xiàn)高質量的LCD TV電源系統(tǒng)。大家在使用MAX17126B進行設計時，是否遇到過一些獨特的挑戰(zhàn)呢？歡迎在評論區(qū)分享你的經驗和見解。