TI LM3631：優(yōu)化移動(dòng)設(shè)備LCD電源與背光方案

在如今的電子設(shè)備市場(chǎng)中，移動(dòng)設(shè)備的顯示屏性能愈發(fā)重要，而LCD的電源管理和背光控制則是影響其表現(xiàn)的關(guān)鍵因素。德州儀器（TI）的LM3631正是一款專為移動(dòng)設(shè)備LCD設(shè)計(jì)的高度集成解決方案，能夠滿足高清LCD的復(fù)雜電源需求。下面就詳細(xì)探討一下這款芯片的設(shè)計(jì)特點(diǎn)、應(yīng)用及相關(guān)注意事項(xiàng)。

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一、LM3631的核心特性

LM3631具備一系列強(qiáng)大的特性，使其在移動(dòng)設(shè)備LCD電源管理領(lǐng)域表現(xiàn)出色：

1. 背光驅(qū)動(dòng)能力

它可以驅(qū)動(dòng)多達(dá)兩個(gè)LED串，每個(gè)串最多可連接8個(gè)LED，最大輸出電流為25 mA。集成的背光升壓轉(zhuǎn)換器最大輸出電壓可達(dá)29 V，背光效率最高能達(dá)到90%，能為L(zhǎng)CD提供充足且高效的背光支持。

2. 多模式調(diào)光功能

支持11位線性或指數(shù)調(diào)光，輸出分辨率最高可達(dá)17位，還可通過外部PWM輸入實(shí)現(xiàn)CABC（內(nèi)容自適應(yīng)背光控制）操作，為不同的顯示內(nèi)容和場(chǎng)景提供靈活的調(diào)光方案。

3. LCD偏置電源

LCD偏置效率大于85%，可提供可編程的正偏置電壓（4 - 6 V，最大輸出電流100 mA）和負(fù)偏置電壓（-4 - -6 V，最大輸出電流80 mA）。此外，還有兩個(gè)可編程的LDO參考輸出，分別為4 - 6 V（最大輸出電流50 mA）和1.8 - 3.3 V（最大輸出電流80 mA），滿足LCD不同部分的供電需求。

4. 寬輸入電壓范圍

該芯片的輸入電壓范圍為2.7 - 5 V，可適配多種電源，增加了應(yīng)用的靈活性。

二、功能與結(jié)構(gòu)解析

1. 總體架構(gòu)

LM3631是一款單芯片解決方案，集成了高效的背光LED驅(qū)動(dòng)器和正負(fù)偏置電源，以滿足高清LCD的功率要求。其集成度高，體積小，卻能保持高性能，非常適合中小尺寸的顯示屏。另外，兩個(gè)額外的可編程LDO穩(wěn)壓器輸出可用于為顯示控制器、LCD伽馬參考或其他外設(shè)供電。

2. 功能模塊剖析

背光模塊

• 使能條件：通過設(shè)置 (BL_EN =1) 且亮度值大于零來啟用背光。不過，LCD偏置電源軌需要先達(dá)到目標(biāo)電壓，背光才能啟動(dòng)。
• 亮度控制：可以通過 (I^{2}C) 亮度寄存器、外部PWM控制或兩者結(jié)合來實(shí)現(xiàn)。不同的BRT_MODE位選擇不同的亮度控制模式，如I2C寄存器控制、PWM輸入占空比控制等。同時(shí)，還支持線性和指數(shù)兩種映射方式來控制LED電流。
• 斜率調(diào)節(jié)：Sloper可平滑亮度值的過渡，斜率時(shí)間可通過SLOPE[3:0]位在0 - 4000 ms之間調(diào)整。高級(jí)斜率功能能讓亮度變化對(duì)人眼來說更加平滑，還可通過DITHER_FREQ_SEL[3:0]位編程抖動(dòng)頻率，進(jìn)一步優(yōu)化斜率效果。

  背光升壓轉(zhuǎn)換器

• 驅(qū)動(dòng)能力：采用異步背光升壓轉(zhuǎn)換器，為兩個(gè)LED串提供所需的高電壓。自適應(yīng)電壓控制環(huán)路可根據(jù)LED驅(qū)動(dòng)器上的電壓自動(dòng)調(diào)整輸出電壓。
• 頻率選擇：有500 kHz和1 MHz兩種開關(guān)頻率模式，可通過Boost Frequency Select位設(shè)置。低頻模式在輕載時(shí)效率更高，高頻模式在重載時(shí)效率更佳。還具備自動(dòng)頻率選擇模式，根據(jù)編程的LED電流自動(dòng)切換頻率。
• 保護(hù)機(jī)制：具備過壓保護(hù)（OVP）和過流保護(hù)（OCP）功能。OVP可監(jiān)測(cè)LED升壓輸出電壓，防止超過安全工作電壓；OCP有4種可選閾值，可在檢測(cè)到過流時(shí)及時(shí)關(guān)閉NFET。

  LCD偏置模塊

• 電源供應(yīng)：由一個(gè)高效的升壓轉(zhuǎn)換器提供正電壓軌 (V{BST_OUT})，為L(zhǎng)CD的 (V{POS})、(V{NEG}) 偏置以及 (V{OREF}) 輸出供電。
• 電壓調(diào)節(jié)：(V{POS}) 輸出LDO的可編程范圍為4 - 6 V，步長(zhǎng)為50 mV，最大輸出電流100 mA；(V{NEG}) 輸出通過調(diào)節(jié)反相電荷泵實(shí)現(xiàn)，范圍為 -6 - -4 V，步長(zhǎng)50 mV，最大負(fù)載80 mA；(V_{OREF}) 輸出LDO的可編程范圍為4 - 6 V，步長(zhǎng)50 mV，最大輸出電流50 mA。
• 電源排序：支持對(duì) (V{POS})、(V{NEG})、(V{CONT}) 和 (V{OREF}) 的輸出上電和斷電時(shí)序進(jìn)行配置，確保系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。

  其他功能模塊

• 顯示控制器電源：支持額外的穩(wěn)壓輸出 (V{LDO_CONT})，可提供1.8 V、2.3 V、2.8 V和3.3 V四種可編程電壓，最大輸出電流80 mA，直接由 (V{IN}) 供電。
• 重置與標(biāo)志引腳：(I^{2}C) 寄存器0x14可將所有 (I^{2}C) 寄存器值重置為默認(rèn)值；FLAG引腳可作為故障或電源良好狀態(tài)的指示器，其狀態(tài)可通過I2C編程設(shè)置。
• 熱關(guān)斷與欠壓鎖定：當(dāng)芯片溫度達(dá)到或超過140°C時(shí)，熱關(guān)斷保護(hù)功能會(huì)關(guān)閉背光和所有偏置電壓輸出，進(jìn)入待機(jī)模式；當(dāng)溫度低于120°C時(shí)，可恢復(fù)工作。欠壓鎖定功能可在輸入電壓低于閾值時(shí)設(shè)置UVLO故障，當(dāng)電壓恢復(fù)正常時(shí)，可通過I2C清除該故障。

三、應(yīng)用與設(shè)計(jì)要點(diǎn)

1. 典型應(yīng)用場(chǎng)景

LM3631主要應(yīng)用于移動(dòng)設(shè)備的LCD背光和偏置供電，能夠驅(qū)動(dòng)一到兩個(gè)LED串，每串包含4 - 8個(gè)白色LED。其輸出電壓可用于為顯示控制器、LCD伽馬參考或其他外設(shè)供電，且LCD偏置電壓可在不啟用背光的情況下單獨(dú)使用。

2. 設(shè)計(jì)具體步驟

外部組件選擇

• 電感：兩個(gè)升壓轉(zhuǎn)換器的電感選擇需要特別注意。LCD偏置升壓轉(zhuǎn)換器的補(bǔ)償參數(shù)固定，適用于1.5 -μH電感；背光升壓轉(zhuǎn)換器可通過INDUCTOR位選擇10 -μH或22 -μH電感，電感的有效電感值應(yīng)控制在±20%以內(nèi)。同時(shí)，要確保電感的飽和電流大于最大負(fù)載電流和最壞情況下的平均到峰值電感電流之和。
• 電容：不同模塊的輸出電容選擇也有講究。背光升壓轉(zhuǎn)換器輸出推薦使用兩個(gè)2.2 -μF電容，也可使用單個(gè)2.2 -μF電容以減小體積，但有效輸出電容需大于1 μF；LCD - 偏置 - 升壓輸出推薦使用兩個(gè)10 -μF電容。所有電容都建議使用高質(zhì)量的陶瓷類型X5R或X7R，且電壓額定值要大于實(shí)際使用的最大輸出電壓。此外，還需考慮電容的DC偏置效應(yīng)。
• 二極管：背光升壓二極管應(yīng)選用肖特基二極管，其峰值重復(fù)電流應(yīng)大于電感峰值電流，平均電流額定值應(yīng)大于最大輸出電流，反向擊穿電壓應(yīng)顯著大于最大輸出電壓。
• 電荷泵電容：飛跨電容和輸出電容的電壓額定值應(yīng)高于最大輸出電壓，推薦使用10 -V電壓額定值和10 μF的陶瓷X5R/X7R電容。
• LDO輸出電容：LDO輸出電容的電壓額定值要高于最大輸出電壓，同樣推薦使用10 -V電壓額定值和10 -μF的陶瓷X5R/X7R電容。

  布局設(shè)計(jì)

• 電容放置：將升壓轉(zhuǎn)換器的輸出電容盡可能靠近輸出電壓和GND引腳，LDO的輸出電容也應(yīng)靠近輸出引腳，電荷泵的飛跨電容和輸出電容要靠近相應(yīng)引腳。
• 減少環(huán)路：盡量將輸入電容和電感靠近GND和開關(guān)引腳，以最小化升壓轉(zhuǎn)換器的開關(guān)環(huán)路。如果可能，將開關(guān)環(huán)路僅布置在頂層，減少開關(guān)節(jié)點(diǎn)上的銅面積，同時(shí)保證足夠的布線寬度，以降低開關(guān)引腳的寄生電容。
• 信號(hào)布線：VIN輸入電壓引腳需通過低ESR旁路電容接地，且電容應(yīng)盡可能靠近VIN引腳。將內(nèi)部引腳布線在第二層，使用偏移微過孔從頂層連接到中間層，避免信號(hào)跡線直接布置在升壓轉(zhuǎn)換器的開關(guān)環(huán)路下方。

四、結(jié)語

TI的LM3631為移動(dòng)設(shè)備LCD的電源管理和背光控制提供了一個(gè)全面且高效的解決方案。其高度集成的設(shè)計(jì)、豐富的功能特性和靈活的編程能力，使得開發(fā)者能夠輕松應(yīng)對(duì)各種復(fù)雜的應(yīng)用需求。在實(shí)際設(shè)計(jì)過程中，合理選擇外部組件和優(yōu)化布局設(shè)計(jì)是確保芯片性能充分發(fā)揮的關(guān)鍵。希望各位工程師在使用LM3631時(shí)能夠充分利用其優(yōu)勢(shì)，打造出更加出色的移動(dòng)設(shè)備顯示方案。大家在實(shí)際應(yīng)用中遇到過哪些問題呢？又是如何解決的呢？歡迎在評(píng)論區(qū)分享交流。