LED7707：LCD面板背光LED驅(qū)動(dòng)芯片的深入剖析

在LCD面板背光設(shè)計(jì)領(lǐng)域，LED7707作為一款高效能的LED驅(qū)動(dòng)芯片脫穎而出。接下來，就來詳細(xì)探討這款芯片的特點(diǎn)、工作原理、應(yīng)用設(shè)計(jì)等方面的內(nèi)容，為工程師們?cè)趯?shí)際應(yīng)用中提供有價(jià)值參考。

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一、LED7707芯片概述

（一）產(chǎn)品簡(jiǎn)介

LED7707是一款專為L(zhǎng)CD面板背光設(shè)計(jì)的LED驅(qū)動(dòng)芯片，它集成了高效的單片升壓轉(zhuǎn)換器和六個(gè)可控電流發(fā)生器（行），能夠?yàn)長(zhǎng)CD面板背光的LED陣列提供穩(wěn)定的電源。該芯片采用VFQFPN - 24 4x4封裝，具備多種保護(hù)功能，可有效提高系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。

（二）主要特點(diǎn)

1. 升壓部分特點(diǎn)
   • 寬輸入電壓范圍：支持4.5 V至36 V的輸入電壓，能適應(yīng)不同的電源環(huán)境。
   • 內(nèi)部功率MOSFET：集成內(nèi)部功率MOSFET，減少了外部元件的使用，降低了成本和電路板空間。
   • 內(nèi)部 +5 V LDO：為設(shè)備提供穩(wěn)定的 +5 V電源，滿足內(nèi)部電路的供電需求。
   • 高輸出電壓：輸出電壓最高可達(dá)36 V，可驅(qū)動(dòng)多達(dá)10個(gè)白色LED串聯(lián)。
   • 頻率控制靈活：采用恒定頻率峰值電流模式控制，開關(guān)頻率可在250 kHz至1 MHz范圍內(nèi)調(diào)節(jié)，還支持外部同步，適用于多設(shè)備應(yīng)用。
   • 節(jié)能與保護(hù)功能：具備脈沖跳過省電模式，輕載時(shí)可降低功耗；支持可編程軟啟動(dòng)和過壓保護(hù)（OVP），確保系統(tǒng)安全啟動(dòng)和運(yùn)行；使用陶瓷輸出電容時(shí)穩(wěn)定性好，并設(shè)有熱關(guān)斷保護(hù)。
2. 背光驅(qū)動(dòng)部分特點(diǎn)
   • 多通道大電流驅(qū)動(dòng)：具有六個(gè)通道（行），每個(gè)通道最大電流能力可達(dá)85 mA，且電流可調(diào)節(jié)，能滿足不同類型LED的驅(qū)動(dòng)需求。
   • 行禁用選項(xiàng)：可根據(jù)實(shí)際需求禁用某些行，提高靈活性。
   • 快速調(diào)光：最小調(diào)光導(dǎo)通時(shí)間小于10 μs，調(diào)光響應(yīng)速度快。
   • 電流匹配精準(zhǔn)：行與行之間的電流匹配精度可達(dá) ±2%，保證各通道LED亮度均勻。
   • 故障檢測(cè)功能：能檢測(cè)LED的開路和短路故障，及時(shí)反饋故障信息。

二、工作原理分析

（一）升壓部分

1. 功能描述：升壓部分基于恒定開關(guān)頻率、峰值電流模式架構(gòu)，通過調(diào)節(jié)輸出電壓，使所有行中電壓降最低的那一行電壓等于內(nèi)部參考電壓（典型值700 mV）。輸入電壓范圍為4.5 V至36 V，內(nèi)部LDO從VIN引腳獲取輸入，為內(nèi)部電路提供穩(wěn)定的 +5 V電源，LDO5引腳既是LDO輸出，也是功率MOSFET驅(qū)動(dòng)器的電源。AVCC引腳為模擬電路供電，需通過簡(jiǎn)單RC濾波器連接到LDO輸出，以提高抗噪能力。
2. 控制環(huán)路：調(diào)節(jié)電流的過程涉及兩個(gè)環(huán)路。主環(huán)路與升壓調(diào)節(jié)器相關(guān)，采用恒定頻率峰值電流模式架構(gòu)調(diào)節(jié)為L(zhǎng)ED供電的電源軌；內(nèi)部電流環(huán)路則根據(jù)RILIM引腳的設(shè)定值，在每一行調(diào)節(jié)相同的電流。一個(gè)專用電路會(huì)自動(dòng)選擇所有行中電壓降最低的那一行，并將該電壓提供給主環(huán)路，主環(huán)路據(jù)此調(diào)節(jié)輸出電壓。
3. 使能功能：通過EN引腳使能芯片，該引腳為高電平有效。當(dāng)EN引腳連接到SGND時(shí)，芯片關(guān)閉；當(dāng)需要上電時(shí)設(shè)備突然開啟，可將該引腳浮空或連接到延遲電容。芯片關(guān)閉時(shí)，會(huì)快速放電軟啟動(dòng)電容，并關(guān)閉功率MOSFET、電流發(fā)生器和LDO，將功耗降低至20 μA。
4. 軟啟動(dòng)功能：軟啟動(dòng)功能用于控制啟動(dòng)時(shí)的浪涌電流，避免輸出電壓過沖。通過在SS引腳和地之間連接外部電容來設(shè)置軟啟動(dòng)時(shí)間，電容以5 mA（典型值）的恒定電流充電，使SS引腳電壓上升。在軟啟動(dòng)開始階段，開關(guān)頻率會(huì)降低至標(biāo)稱值的一半，當(dāng)SS引腳電壓超過0.8 V時(shí)，恢復(fù)標(biāo)稱開關(guān)頻率。同時(shí)，在軟啟動(dòng)階段會(huì)進(jìn)行浮動(dòng)行檢測(cè)，當(dāng)檢測(cè)到浮動(dòng)行時(shí)，會(huì)根據(jù)相應(yīng)規(guī)則進(jìn)行處理。
5. 過壓保護(hù)：可通過向OVSEL引腳提供輸出電壓的分壓來設(shè)置可調(diào)過壓保護(hù)。當(dāng)OVSEL引腳電壓超過OV閾值（1.145 V）時(shí)，開關(guān)活動(dòng)暫停；當(dāng)OVSEL引腳電壓低于OV閾值時(shí)，開關(guān)活動(dòng)恢復(fù)。為減少升壓轉(zhuǎn)換器關(guān)閉時(shí)輸出電容的放電，分壓器的高端電阻值通常為100 kΩ 左右，低端電阻可根據(jù)公式計(jì)算。
6. 開關(guān)頻率選擇與同步：通過將FSW引腳通過電阻連接到地，可在250 kHz - 1 MHz范圍內(nèi)設(shè)置升壓轉(zhuǎn)換器的開關(guān)頻率。當(dāng)FSW引腳連接到AVCC時(shí)，芯片使用默認(rèn)的660 kHz固定開關(guān)頻率。FSW引腳還可作為同步輸入，使芯片作為主設(shè)備或從設(shè)備工作。SYNC引腳為同步輸出，可用于連接多個(gè)設(shè)備或同步其他開關(guān)轉(zhuǎn)換器。
7. 斜率補(bǔ)償：恒定頻率、峰值電流模式拓?fù)湓谡伎毡却笥?.5時(shí)存在固有的開環(huán)不穩(wěn)定性，即“次諧波不穩(wěn)定”。通過在SLOPE引腳和輸出之間連接簡(jiǎn)單電阻 (R_{SLOPE}) 進(jìn)行斜率補(bǔ)償，可避免這種不穩(wěn)定現(xiàn)象。補(bǔ)償斜坡在每個(gè)開關(guān)周期的35%（典型值）開始，其斜率可根據(jù)公式計(jì)算。為避免次諧波不穩(wěn)定，補(bǔ)償斜率應(yīng)至少為占空比大于50%時(shí)電感電流在關(guān)斷階段斜率的一半。
8. 升壓電流限制：通過在BILIM引腳和地之間連接簡(jiǎn)單電阻，可設(shè)置所需的最大電流限制值。芯片內(nèi)部將BILIM引腳電壓固定為1.23 V，電流限制與通過設(shè)置電阻的電流成正比。最大允許電流限制為5 A，功率開關(guān)中最大保證的RMS電流為2 A。
9. 熱保護(hù)：為避免芯片因結(jié)溫過高而損壞，設(shè)置了熱關(guān)斷保護(hù)功能。當(dāng)結(jié)溫超過150 °C（典型值）時(shí)，芯片關(guān)閉控制邏輯和升壓轉(zhuǎn)換器，并將FAULT引腳置低。LDO保持工作，當(dāng)結(jié)溫降低30 °C后，芯片自動(dòng)恢復(fù)正常工作。

（二）背光驅(qū)動(dòng)部分

1. 電流發(fā)生器：芯片具有六個(gè)通道（行），每個(gè)通道可驅(qū)動(dòng)多個(gè)串聯(lián)的LED，最大電流可達(dá)85 mA。通過在RILIM引腳和地之間連接外部電阻 (R{RILIM}) 可設(shè)置LED電流，行電流與RILIM電流成正比。行與行之間的最大電流失配在 (I{rowx}=60 mA) 時(shí)為 ±2%。如果單個(gè)通道提供的最大電流不足，可將兩個(gè)或多個(gè)電流發(fā)生器并聯(lián)使用，但為保持并聯(lián)穩(wěn)定性，行電流應(yīng)高于10 mA。
2. PWM調(diào)光：通過向DIM引腳施加PWM信號(hào)，可對(duì)LED進(jìn)行亮度控制。電流發(fā)生器會(huì)根據(jù)DIM引腳的信號(hào)狀態(tài)開啟或關(guān)閉，最小調(diào)光導(dǎo)通時(shí)間建議為10 μs（假設(shè) (I_{ROWs}=20 mA) ），最小調(diào)光占空比取決于調(diào)光頻率。在PWM信號(hào)的關(guān)斷階段，升壓轉(zhuǎn)換器暫停，電流發(fā)生器關(guān)閉，由于輸出電容放電相對(duì)緩慢，輸出電壓可視為幾乎恒定。在啟動(dòng)序列中，調(diào)光占空比強(qiáng)制為100%，以檢測(cè)浮動(dòng)行。
3. 故障管理
   • FAULT引腳：FAULT引腳為集電極開路輸出，低電平有效，用于指示檢測(cè)到的故障情況。可用于驅(qū)動(dòng)狀態(tài)LED或向主機(jī)系統(tǒng)發(fā)出警告。
   • MODE引腳：MODE引腳為數(shù)字輸入，可連接到AVCC或SGND，以選擇所需的故障檢測(cè)和管理方式。芯片可根據(jù)MODE引腳的設(shè)置，以兩種不同方式處理故障情況。
   • 開路LED故障：當(dāng)MODE引腳連接到AVCC時(shí)，檢測(cè)到開路行后，F(xiàn)AULT引腳置高，開路行從控制環(huán)路中排除，芯片繼續(xù)正常工作；當(dāng)MODE引腳連接到SGND時(shí)，檢測(cè)到開路行后，F(xiàn)AULT引腳置低，芯片關(guān)閉，需通過切換EN引腳或進(jìn)行上電復(fù)位來恢復(fù)正常工作。
   • 短路LED故障：當(dāng)MODE引腳為低電平時(shí)，故障閾值為 (V_{TH,FAULT}=4.0 V) ，當(dāng)某一行電壓高于該閾值超過100 ms時(shí)，F(xiàn)AULT引腳置低，芯片關(guān)閉；當(dāng)MODE引腳連接到AVCC時(shí)，短路LED保護(hù)功能禁用，芯片繼續(xù)調(diào)節(jié)設(shè)定電流，不影響FAULT引腳。

三、應(yīng)用設(shè)計(jì)要點(diǎn)

（一）系統(tǒng)穩(wěn)定性

1. 環(huán)路補(bǔ)償：升壓部分的補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)由 COMP 引腳和地之間的簡(jiǎn)單 RC 串聯(lián)組成。為實(shí)現(xiàn)最佳的環(huán)路穩(wěn)定性和動(dòng)態(tài)性能，需要根據(jù)具體應(yīng)用條件計(jì)算 (R{COMP}) 和 (C{COMP}) 的值。通常，較高的開關(guān)頻率可減小電感尺寸并改善轉(zhuǎn)換器的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，但會(huì)增加開關(guān)損耗。對(duì)于大多數(shù)應(yīng)用，660 kHz 的固定頻率是功耗和動(dòng)態(tài)響應(yīng)之間的良好折衷。為避免 DC - DC 轉(zhuǎn)換器環(huán)路和電流發(fā)生器環(huán)路之間的相互作用導(dǎo)致不穩(wěn)定，升壓部分的帶寬不應(yīng)超過電流發(fā)生器的帶寬，建議的單位增益頻率 (f_{U}) 為 30 - 40 kHz。
2. 熱考慮：為防止芯片結(jié)溫超過熱關(guān)斷閾值（150 °C），需要通過公式 (T{J}=T{A}+R{th,JA} cdot P{D, tot }) 估算結(jié)溫。其中，(T{A}) 為環(huán)境溫度，(R{th,JA}) 為結(jié)到環(huán)境的等效熱阻（在應(yīng)用演示板上測(cè)量為 42 °C/W），(P_{D, tot }) 為芯片的總功耗。總功耗包括內(nèi)部功率開關(guān)的傳導(dǎo)損耗、開關(guān)損耗、電流發(fā)生器損耗和 LDO 損耗等。
3. 組件選擇
   • 電感選擇：電感的選擇需要考慮傳導(dǎo)損耗（DCR）、磁芯損耗、飽和電流和磁通量屏蔽等因素。LED7707 的開關(guān)頻率可在 200 kHz - 1 MHz 范圍內(nèi)設(shè)置，建議電感值在 4.7 - 22 μH 之間。對(duì)于 660 kHz 的開關(guān)頻率，6.8 μH 的電感是一個(gè)合適的選擇。
   • 電容選擇：輸入和輸出電容應(yīng)選擇低 ESR 的陶瓷電容，以減小紋波電壓。考慮到最壞情況（200 Hz 調(diào)光頻率和 85 mA/通道），兩個(gè) 4.4 μF 的 MLCC 適用于大多數(shù)應(yīng)用。輸出電容的額定電壓和介電類型需要特別注意，避免偏置時(shí)電容值大幅下降。輸入電容對(duì)內(nèi)部 LDO 也很重要，應(yīng)盡可能靠近芯片放置，建議選擇 10 μF 的 X5R MLCC。
   • 飛輪二極管選擇：飛輪二極管應(yīng)選擇肖特基類型，以減小損耗。該二極管需承受與輸出電流相等的平均電流和最大輸出軌電壓，對(duì)于所有通道每個(gè)通道吸收 75 mA 電流（即 450 mA 輸出電流）和最大輸出電壓 36 V 的情況，STP1L40M 二極管是一個(gè)不錯(cuò)的選擇。

（二）設(shè)計(jì)示例

以 17” LCD 面板的 LED 背光應(yīng)用為例，介紹具體的設(shè)計(jì)步驟。

1. 開關(guān)頻率設(shè)置：為減少外部元件數(shù)量，可將 FSW 引腳連接到 AVCC 引腳，選擇默認(rèn)的 660 kHz 開關(guān)頻率。若需要其他開關(guān)頻率，可根據(jù)公式計(jì)算并在 FSW 引腳和地之間連接電阻。
2. 行電流設(shè)置：根據(jù)公式 (I{ROWx }=frac{K{R}}{R{RILIM}}) 計(jì)算 RILIM 電阻值，其中 (K{R}=1850 V) 。假設(shè)所需行電流為 60 mA，則 (R_{RILIM }=frac{1850 V}{60 mA}=30.83 kΩ) ，可選擇最接近的標(biāo)準(zhǔn)商業(yè)值 30 kΩ 。
3. 電感選擇：根據(jù)負(fù)載、輸入和輸出電壓以及開關(guān)頻率，計(jì)算電感值以確定連續(xù)導(dǎo)通模式（CCM）和不連續(xù)導(dǎo)通模式（DCM）之間的邊界。通常，升壓轉(zhuǎn)換器更傾向于工作在 DCM 模式。在該示例中，考慮輸入電壓范圍，為確保 DCM 操作，電感值應(yīng)小于 5.6 μH，可選擇 4.7 μH 的電感。
4. 輸出電容選擇：輸出電容的選擇主要受所需輸出電壓紋波的影響。為減少紋波對(duì)電流發(fā)生器動(dòng)態(tài)響應(yīng)的影響，可設(shè)置最大紋波電壓小于 70 mV（即領(lǐng)先發(fā)生器電壓的 10%），根據(jù)公式計(jì)算所需電容值，并考慮電容在偏置時(shí)的電容值下降，選擇合適的電容。
5. 輸入電容選擇：升壓轉(zhuǎn)換器的輸入電容相對(duì)不那么關(guān)鍵，但為減少電源軌上的開關(guān)噪聲，建議選擇低 ESR 的 10 μF 電容。
6. 過壓保護(hù)分壓器設(shè)置：過壓保護(hù)（OVP）分壓器為 OVSEL 引腳提供輸出電壓的分壓，可根據(jù)公式計(jì)算分壓器電阻值，以設(shè)置合適的 OVP 閾值和開路通道檢測(cè)閾值。
7. 補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)設(shè)置：根據(jù)系統(tǒng)穩(wěn)定性要求，選擇合適的補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)參數(shù) (R{COMP}) 和 (C{COMP}) ，通常可選擇 (R{COMP}=2.4 kΩ) 和 (C{COMP}=4.7 nF) 。
8. 升壓電流限制設(shè)置：為保護(hù)內(nèi)部功率開關(guān)，將升壓電流限制設(shè)置為最大電感峰值電流的兩倍左右。根據(jù)公式計(jì)算 BILIM 電阻值。
9. 功率損耗估算：估算總功率損耗時(shí)，需要考慮內(nèi)部功率開關(guān)的傳導(dǎo)損耗、開關(guān)損耗、電流發(fā)生器損耗等。在最壞情況下，通過相關(guān)公式估算功率損耗，并根據(jù)估算結(jié)果計(jì)算芯片的結(jié)溫和系統(tǒng)效率。

（三）布局考慮

1. 接地設(shè)計(jì)：芯片有信號(hào)地（SGND）和功率地（PGND）兩個(gè)不同的接地引腳。PGND 引腳處理升壓部分的開關(guān)電流，PCB 走線應(yīng)盡量短且有足夠的寬度；信號(hào)地作為設(shè)備電源和電流發(fā)生器的返回路徑，可連接到散熱墊。信號(hào)地和功率地應(yīng)在靠近 PGND 引腳的單點(diǎn)連接，以減少接地環(huán)路。
2. 散熱設(shè)計(jì)：散熱區(qū)域應(yīng)位于芯片背面，具有盡可能低的熱阻，避免在背面布置 PCB 走線。通過多個(gè)過孔（建議九個(gè)）將散熱區(qū)域與散熱墊進(jìn)行熱和電連接。
3. 元件布局：補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)的 R - C 元件應(yīng)盡量靠近 COMP 引腳放置，以避免噪聲問題和補(bǔ)償不穩(wěn)定。對(duì)噪聲敏感的信號(hào)（如反饋和補(bǔ)償信號(hào)）的走線應(yīng)盡量短，以減少噪聲拾取。LX 開關(guān)節(jié)點(diǎn)的走線應(yīng)具有足夠的寬度，以提高效率。關(guān)鍵功率路徑（電感 - LX - PGND）應(yīng)盡量短，將電感、二極管和輸出電容盡量靠近放置。連接到 OVSEL 引腳的補(bǔ)償分壓器的電容應(yīng)盡量靠近該引腳放置。為保證行電流精度和匹配性，從行引腳到 LED 的 PCB 走線應(yīng)具有相似的長(zhǎng)度和寬度。連接到 LDO5 和 VIN 引腳的濾波器電容應(yīng)盡量靠近相應(yīng)引腳安裝。

四、總結(jié)

LED7707芯片憑借其豐富的功能和出色的性能，為L(zhǎng)CD面板背光設(shè)計(jì)提供了一個(gè)可靠的解決方案。在實(shí)際應(yīng)用中，工程師們需要根據(jù)具體的設(shè)計(jì)要求，合理選擇芯片的工作參數(shù)和外部元件，同時(shí)注意 PCB 布局和散熱設(shè)計(jì)，以確保系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠性和高效性。大家在使用LED7707芯片的過程中，有沒有遇到過一些獨(dú)特的問題或者有什么特別的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)?zāi)兀繗g迎在評(píng)論區(qū)分享交流。