汽車TFT - LCD電源解決方案：MAX16928深度剖析

在汽車電子領(lǐng)域，TFT - LCD顯示屏的應(yīng)用越來越廣泛，如汽車儀表盤、中央信息顯示屏和導(dǎo)航系統(tǒng)等。這對TFT - LCD電源的性能、集成度和穩(wěn)定性提出了更高的要求。Maxim Integrated推出的MAX16928就是一款專門為汽車TFT - LCD應(yīng)用設(shè)計(jì)的高度集成電源解決方案。本文將詳細(xì)介紹MAX16928的特點(diǎn)、工作原理、設(shè)計(jì)和應(yīng)用注意事項(xiàng)。

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一、MAX16928概述

1.1 產(chǎn)品簡介

MAX16928集成了一個升壓轉(zhuǎn)換器、一個1.8V/3.3V調(diào)節(jié)器控制器以及兩個柵極電壓調(diào)節(jié)器，有多種版本可供選擇，以滿足常見汽車TFT - LCD電源要求。它采用20引腳TSSOP封裝，帶有外露焊盤，工作溫度范圍為 - 40°C至 + 105°C。

1.2 應(yīng)用場景

主要應(yīng)用于汽車儀表盤、汽車中央信息顯示屏和汽車導(dǎo)航系統(tǒng)等。

1.3 產(chǎn)品特性

• 高功率輸出：升壓輸出功率高達(dá)6W，可提供高達(dá)18V的電壓。
• 多電壓調(diào)節(jié)：1.8V或3.3V調(diào)節(jié)器配合外部npn晶體管可提供500mA電流；正柵極電壓調(diào)節(jié)器能在28V下提供20mA電流；還有負(fù)柵極電壓調(diào)節(jié)器。
• 高頻操作：2.2MHz的高頻操作，可使用低剖面電感和陶瓷電容，減小LCD面板設(shè)計(jì)厚度。
• 靈活的獨(dú)立排序：通過SEQ輸入可靈活控制正、負(fù)柵極電壓調(diào)節(jié)器的啟動順序。
• 多種保護(hù)功能：具有過熱關(guān)機(jī)、過流保護(hù)等功能，保障設(shè)備安全穩(wěn)定運(yùn)行。
• 符合汽車標(biāo)準(zhǔn)：通過AEC - Q100認(rèn)證，滿足汽車級應(yīng)用要求。

二、關(guān)鍵參數(shù)與特性

2.1 絕對最大額定值

詳細(xì)規(guī)定了各引腳的電壓、電流、功率、溫度等極限參數(shù)，如INA、COMPV、FBP到GND的電壓范圍為 - 0.3V至 + 6V等。超出這些額定值可能會對設(shè)備造成永久性損壞。

2.2 電氣特性

在 (V{INA }=5V) ， (V{GND}=V{PGNDP}=0V) ， (T{A}=T_{J}=-40^{circ}C) 至 + 105°C的條件下，給出了各轉(zhuǎn)換器和調(diào)節(jié)器的詳細(xì)電氣參數(shù)，如升壓轉(zhuǎn)換器的開關(guān)頻率為1.98 - 2.42MHz，最大占空比為82 - 93.5%等。

2.3 典型工作特性

通過一系列圖表展示了設(shè)備在不同條件下的性能，如關(guān)機(jī)電源電流、負(fù)載調(diào)節(jié)、效率與負(fù)載電流關(guān)系、啟動波形、電源排序波形等，為工程師在實(shí)際應(yīng)用中評估和優(yōu)化電路提供了重要參考。

三、引腳配置與功能

3.1 引腳分布

MAX16928采用20引腳TSSOP封裝，各引腳功能明確，如ENP用于使能升壓電路和1.8V/3.3V調(diào)節(jié)器控制器；DR為1.8V或3.3V調(diào)節(jié)器輸出；FB為反饋輸入等。

3.2 引腳功能詳解

• ENP：內(nèi)部有500kΩ下拉電阻，高電平正常工作，低電平使設(shè)備進(jìn)入關(guān)機(jī)狀態(tài)。
• DR：具有4.5mA（最?。?qū)動能力，可通過外部npn晶體管提高輸出電流能力。
• FB：調(diào)節(jié)到1.8V或3.3V，根據(jù)負(fù)載情況可直接連接DR或通過外部npn晶體管連接。
• GATE：外部p - 溝道FET柵極驅(qū)動，故障時可關(guān)閉FET，實(shí)現(xiàn)真正的關(guān)機(jī)功能。

四、工作原理

4.1 升壓轉(zhuǎn)換器

采用電流模式、固定頻率PWM架構(gòu)，2.2MHz開關(guān)頻率可使用低剖面電感和陶瓷電容。通過誤差放大器比較FBP信號與1V，調(diào)整COMPV輸出，控制電感峰值電流，實(shí)現(xiàn)輸出電壓調(diào)節(jié)。同時，通過斜率補(bǔ)償信號保證高占空比時的穩(wěn)定性。

4.2 擴(kuò)頻調(diào)制

通過對開關(guān)頻率進(jìn)行±4%的調(diào)制，將開關(guān)噪聲移出AM頻段，提高EMI性能。

4.3 啟動過程

上電、退出關(guān)機(jī)或進(jìn)入重試模式后，先進(jìn)行短路檢測。若LXP電壓超過1.2V，開啟外部pMOS開關(guān)，升壓輸出在15ms內(nèi)達(dá)到最終值；若低于1.2V，則認(rèn)為輸出過載或短路，關(guān)閉外部pMOS開關(guān)，經(jīng)過238ms故障消隱期后，拉低PGOOD并啟動重試定時器。

4.4 故障條件與PGOOD

PGOOD用于指示所有調(diào)節(jié)器和升壓轉(zhuǎn)換器是否正常工作。當(dāng)出現(xiàn)多種故障情況（如輸出電壓低于設(shè)定值、LXP電壓過高、正電荷泵電壓過高等）時，PGOOD拉低。不同故障情況處理方式不同，部分故障會立即關(guān)閉所有輸出，部分僅拉低PGOOD而不關(guān)閉輸出。

4.5 重試機(jī)制

當(dāng)重試計(jì)數(shù)器在1.9s后完成計(jì)數(shù)，設(shè)備會按順序嘗試啟動升壓轉(zhuǎn)換器和柵極電壓調(diào)節(jié)器，只要故障條件持續(xù)，就會繼續(xù)重試。但1.8V/3.3V調(diào)節(jié)器輸出故障只會使PGOOD拉低，不會導(dǎo)致設(shè)備關(guān)機(jī)和進(jìn)入重試。

4.6 電流限制

升壓轉(zhuǎn)換器的有效電流限制會受內(nèi)部注入的斜率補(bǔ)償影響，具體計(jì)算公式為 (LIM(EFF) =192 × 10^{-12} × I{LIM _D C _0} × frac{D}{C{COMPI}}) ，其中 (I{LIM _D C _0}) 取決于升壓轉(zhuǎn)換器電流限制選項(xiàng)，D為占空比， (C{COMPI}) 為COMPI引腳電容值。

五、設(shè)計(jì)要點(diǎn)

5.1 升壓轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)

• 電感選擇：需考慮電感值、飽和電流和直流電阻。一般選擇30% - 60%的峰 - 峰紋波電流與平均電流比，根據(jù)公式 (L=frac{V{INA } × D}{LIR × I{INA } × f{SW}}) 計(jì)算電感值，其中 (I{INA }=frac{V{O} × I{O}}{eta V{INA }}) ， (D=frac{1-eta V{INA }}{V_{O}}) 。
• 電容選擇：輸入和輸出濾波電容應(yīng)選擇低ESR類型，根據(jù)公式計(jì)算其RMS電流額定值。輸出電壓紋波由ESR和電容值決定，可通過公式 (Delta V{RIPPLE }=Delta V{ESR}+Delta V_{CAP}) 計(jì)算。
• 整流二極管：選擇肖特基二極管，其反向電壓承受能力應(yīng)至少為 (V{SH}) ，平均正向電流額定值應(yīng)大于 (I{D}=I{I N A} times(1-D)) ，峰值電流額定值應(yīng)大于 (I{INA} timesleft(1+frac{LIR}{2}right)) 。
• 輸出電壓選擇：通過電阻分壓器RTOP和RBOTTOM調(diào)整輸出電壓，計(jì)算公式為 (R{TOP }=R{BOTTOM } timesleft(frac{V{O}}{V{FBP}}-1right)) ，其中 (V_{FBP}=1V) 。
• 環(huán)路補(bǔ)償：選擇RCOMPV和CCOMPV設(shè)置高頻積分器增益和積分器零點(diǎn)，以實(shí)現(xiàn)快速瞬態(tài)響應(yīng)和環(huán)路穩(wěn)定性。同時，可根據(jù)公式 (C{COMPI} leq 950 × 10^{-6} × L /left(V{SH}+V{SCHOTTKY }-V{INA }right)) 計(jì)算CCOMPI的值。

5.2 1.8V/3.3V調(diào)節(jié)器控制器設(shè)計(jì)

可直接連接FB和DR獲得1.8V/3.3V輸出，也可通過外部npn晶體管提高輸出能力。當(dāng)升壓輸出電流大于300mA時，需在DR和GND之間連接30kΩ電阻。

5.3 正柵極電壓調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì)

通過外部電荷泵提供正電源電壓，輸出電壓可通過電阻分壓器調(diào)整，計(jì)算公式為 (R{TOP }=R{BOTTOM } timesleft(frac{V{GH}}{V{FBGH}}-1right)) ，其中 (V{FBGH}=1V) 。同時，需注意內(nèi)部pMOS器件的功率損耗，計(jì)算公式為 (P{GL}=left(V{CP}-V{GH}right) × I_{LOAD(MAX)}) 。

5.4 負(fù)柵極電壓調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì)

通過反相電荷泵提供負(fù)電源電壓，輸出電壓可通過電阻分壓器調(diào)整，計(jì)算公式為 (R{BOTTOM }=R{TOP } × frac{V{FBGL }-V{GL}}{V{REF}-V{FBGL}}) ，其中 (V{REF}=1.25V) ， (V{FBGL}=0.25V) 。選擇合適的外部npn晶體管，需考慮電流增益、輸入電容、集電極 - 發(fā)射極飽和電壓和功率損耗等因素。

5.5 電荷泵設(shè)計(jì)

• 級數(shù)選擇：根據(jù)輸出電壓需求選擇合適的電荷泵級數(shù)，計(jì)算公式為 (n{C P}=frac{V{G H}+V{DROPOUT }-V{SH}}{V{SH}+V{SCHOTTKY }-2 × V{D}}) 和 (n{CN}=frac{left|V{GL}right|+V{DROPOUT }}{V{SH}+V{SCHOTKY }-2 × V_{D}}) 。
• 飛跨電容：選擇合適的飛跨電容值，一般0.1μF陶瓷電容適用于大多數(shù)低電流應(yīng)用。
• 輸出電容：根據(jù)公式計(jì)算所需的輸出電容值，以減小輸出紋波電壓和峰 - 峰瞬態(tài)電壓。
• 整流二極管：選擇高速硅開關(guān)二極管，電流額定值應(yīng)至少為平均電荷泵輸入電流的兩倍。

六、應(yīng)用注意事項(xiàng)

6.1 功率損耗計(jì)算

設(shè)備的功率損耗主要包括升壓轉(zhuǎn)換器、正柵極電壓調(diào)節(jié)器、負(fù)柵極電壓調(diào)節(jié)器和1.8V/3.3V調(diào)節(jié)器控制器的損耗。通過相應(yīng)公式可估算各部分的功率損耗，總功率損耗為各部分損耗之和。為實(shí)現(xiàn)最大熱傳遞，需將外露焊盤連接到熱焊盤，并通過熱過孔將熱焊盤連接到大面積接地平面。

6.2 PCB布局

良好的PCB布局對設(shè)備性能至關(guān)重要。應(yīng)將去耦電容盡量靠近設(shè)備，將電源接地平面和模擬接地平面在靠近設(shè)備的一點(diǎn)連接；輸入和輸出電容連接到電源接地平面，其他電容連接到模擬接地平面；保持高電流路徑短而寬，縮短開關(guān)電流路徑；將反饋電阻盡量靠近設(shè)備，將電阻分壓器的負(fù)端和補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)連接到模擬接地平面；將高速開關(guān)節(jié)點(diǎn)LXP遠(yuǎn)離敏感模擬節(jié)點(diǎn)。

七、總結(jié)

MAX16928是一款功能強(qiáng)大、集成度高的汽車TFT - LCD電源解決方案，具有多種保護(hù)功能和靈活的控制特性。在設(shè)計(jì)和應(yīng)用過程中，工程師需根據(jù)具體需求合理選擇元器件，優(yōu)化電路設(shè)計(jì)和PCB布局，以確保設(shè)備的性能和穩(wěn)定性。你在實(shí)際應(yīng)用中是否遇到過類似電源芯片的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)呢？歡迎在評論區(qū)分享你的經(jīng)驗(yàn)和見解。