拆解MAX20096/MAX20097：雙路同步降壓高亮度LED控制器

在當(dāng)今的電子領(lǐng)域，高亮度LED在汽車、商業(yè)、工業(yè)和建筑照明等眾多場景中得到了廣泛應(yīng)用。為了實(shí)現(xiàn)對這些LED的高效、精準(zhǔn)控制，需要性能卓越的LED控制器。Maxim Integrated推出的MAX20096/MAX20097雙路同步降壓高亮度LED控制器，就是這樣一款備受關(guān)注的產(chǎn)品。下面我們就來深入了解一下這兩款控制器。

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產(chǎn)品概述

MAX20096/MAX20097是雙路、高壓、同步n溝道高電流降壓LED驅(qū)動器。它們采用了專有的平均電流模式控制方案來調(diào)節(jié)電感電流，這種控制方法無需任何控制環(huán)路補(bǔ)償，就能保持近乎恒定的開關(guān)頻率。電感電流感測是通過感測底部開關(guān)器件中的電流來實(shí)現(xiàn)的。這兩款I(lǐng)C集成了兩個完全同步的降壓轉(zhuǎn)換器控制器，輸入電壓范圍寬達(dá)4.5V至65V，并且設(shè)計(jì)用于高頻操作，開關(guān)頻率最高可達(dá)1MHz。

不同型號特點(diǎn)

• MAX20096：可以通過SPI接口回讀兩個通道的輸出電壓、電流以及結(jié)溫。具備多種保護(hù)功能，如電感電流限制保護(hù)、過壓保護(hù)和熱關(guān)斷等。采用節(jié)省空間的熱增強(qiáng)型（5mm x 5mm）、32引腳可側(cè)焊TQFN封裝，適用于 -40°C至 +125°C的汽車溫度范圍。
• MAX20097：采用28引腳熱增強(qiáng)型TSSOP封裝，但沒有SPI接口。它包含一個開漏故障標(biāo)志（FLTB），當(dāng)任何一個通道出現(xiàn)開路、短路或過壓激活情況，或者發(fā)生熱關(guān)斷時，該標(biāo)志會變?yōu)榈碗娖健?/li>

關(guān)鍵特性與優(yōu)勢

高集成度與成本效益

高度集成的設(shè)計(jì)最大限度地減少了高亮度LED驅(qū)動器的物料清單（BOM），節(jié)省了空間和成本。寬輸入電壓范圍（4.5V至65V）使其能夠適應(yīng)多種電源環(huán)境，無需額外的電壓轉(zhuǎn)換電路。而且不需要補(bǔ)償組件，進(jìn)一步簡化了設(shè)計(jì)。開關(guān)頻率可編程，用戶可以根據(jù)具體應(yīng)用需求進(jìn)行調(diào)整。同時，外部MOSFET的尺寸可以根據(jù)適當(dāng)?shù)碾娏鬟M(jìn)行選擇，提高了設(shè)計(jì)的靈活性。

寬調(diào)光比與高對比度

支持寬調(diào)光比，能夠?qū)崿F(xiàn)高對比度。提供模擬調(diào)光和PWM調(diào)光兩種方式，其中PWM調(diào)光可以保持LED顏色不變，無論亮度如何變化。在PWM調(diào)光中，LED電流波形頻率恒定，占空比根據(jù)所需光強(qiáng)度進(jìn)行設(shè)置。為了避免閃爍問題，PWM調(diào)光頻率應(yīng)設(shè)置在200Hz以上。

適用于矩陣照明

能夠在短路/開路單個LED時保持電流調(diào)節(jié)，超快速響應(yīng)控制環(huán)路可以防止過沖和下沖。這使得它非常適合用于矩陣照明應(yīng)用，能夠確保每個LED的亮度穩(wěn)定，提高照明效果。

保護(hù)功能與可靠性

具備短路、過壓和熱保護(hù)等多種保護(hù)功能，工作溫度范圍為 -40°C至 +125°C，能夠在惡劣環(huán)境下穩(wěn)定工作。還提供熱監(jiān)測和LED電流監(jiān)測功能，方便用戶實(shí)時了解設(shè)備的工作狀態(tài)。

電氣特性詳解

絕對最大額定值

了解器件的絕對最大額定值對于正確使用和保護(hù)器件至關(guān)重要。MAX20096/MAX20097的絕對最大額定值涵蓋了多個參數(shù)，如輸入電壓、輸出電壓、電流等。例如，VIN至VAGND的范圍為 -0.3V至 +70V，VCC至VAGND的范圍為 -0.3V至 +6.0V等。在設(shè)計(jì)電路時，必須確保所有參數(shù)都在這些額定值范圍內(nèi)，以避免器件損壞。

電氣參數(shù)

文檔中詳細(xì)列出了各種電氣參數(shù)，包括輸入電源電壓、VCC穩(wěn)壓器、模擬調(diào)光輸入、PWM調(diào)光等方面的參數(shù)。例如，在輸入電源電壓方面，工作電源電壓VIN的范圍為4.5V至65V，VIN靜態(tài)電流IINQ在DIM1 = DIM2 = 5V時最大為10mA。這些參數(shù)為工程師進(jìn)行電路設(shè)計(jì)和性能評估提供了重要依據(jù)。

典型工作特性

文檔中給出了多個典型工作特性曲線，如效率與LED電流的關(guān)系、誤差與ILED[6:0]的關(guān)系等。通過這些曲線，我們可以直觀地了解器件在不同工作條件下的性能表現(xiàn)。例如，從效率與LED電流的曲線中可以看出，在不同的輸入電壓和溫度條件下，器件的效率隨LED電流的變化情況。這有助于工程師選擇合適的工作點(diǎn)，以實(shí)現(xiàn)最佳的性能和效率。

引腳配置與功能

引腳說明

MAX20096和MAX20097的引腳配置有所不同，但都包含了用于電源輸入、開關(guān)控制、調(diào)光、電流感測等功能的引腳。例如，IN引腳是VCC穩(wěn)壓器的電源輸入引腳，需要連接一個1μF的陶瓷電容到PGND以進(jìn)行旁路。BST引腳是高端柵極驅(qū)動的高端電源，需要連接一個0.1μF的陶瓷電容到LX引腳。REFI引腳是模擬調(diào)光輸入引腳，通過連接一個電阻分壓器到VCC，可以設(shè)置默認(rèn)的LED電流。

引腳連接注意事項(xiàng)

在進(jìn)行引腳連接時，需要注意一些細(xì)節(jié)。例如，輸入旁路電容應(yīng)盡可能靠近IN和PGND引腳，以減小輸入旁路電容形成的環(huán)路面積。BST和LX引腳之間的電容應(yīng)盡可能靠近這兩個引腳，以確保高端柵極驅(qū)動的正常工作。同時，要注意引腳的電氣特性和功能，避免連接錯誤導(dǎo)致器件無法正常工作。

工作原理剖析

VCC電源

VCC電源是芯片的低壓數(shù)字和模擬電源，它從IN到GND的輸入電壓獲取能量。內(nèi)部的上電復(fù)位（POR）會監(jiān)控VCC電壓和IN電壓。當(dāng)VCC低于其欠壓鎖定（UVLO）閾值時，會產(chǎn)生一個POR低電平，使IC復(fù)位。當(dāng)輸入電壓恢復(fù)正常且VCC穩(wěn)壓器輸出恢復(fù)正常時，芯片會退出復(fù)位狀態(tài)。在某些應(yīng)用中，如果有外部調(diào)節(jié)的5V電源可用，可以將IN和VCC連接在一起，并直接將調(diào)節(jié)后的5V電壓施加到VCC，這樣可以節(jié)省器件內(nèi)部穩(wěn)壓器的功耗。

降壓LED驅(qū)動器

這兩款I(lǐng)C采用了新的平均電流模式控制方案來調(diào)節(jié)降壓LED驅(qū)動器輸出電感中的電流。在同步降壓LED驅(qū)動器中，IC會感測兩個通道底部同步開關(guān)中的電流。當(dāng)降壓轉(zhuǎn)換器在連續(xù)導(dǎo)通模式下工作時，頂部開關(guān)關(guān)閉時，電感中的電流也會流過底部開關(guān)或二極管。通過在底部開關(guān)/二極管周期的一半處感測電流，可以得到電感的平均電流，從而實(shí)現(xiàn)對電感電流的調(diào)節(jié)。

調(diào)光功能

模擬調(diào)光

模擬調(diào)光可以通過SPI接口或REFI引腳來實(shí)現(xiàn)。在MAX20096中，通過SPI寄存器進(jìn)行模擬調(diào)光時，需要將CNFG_SEL位設(shè)置為1，然后通過CNFG_CRNT1和CNFG_CRNT2寄存器來編程LED電流。通過REFI引腳進(jìn)行模擬調(diào)光時，將CNFG_SEL位設(shè)置為0，REFI引腳的電壓可以線性調(diào)節(jié)LED電流。在MAX20097中，模擬調(diào)光類似于MAX20096通過REFI引腳進(jìn)行的模擬調(diào)光。

PWM調(diào)光

IC支持PWM調(diào)光，這是一種優(yōu)選的調(diào)光方法，因?yàn)樗梢员３諰ED顏色不變。在MAX20096中，根據(jù)SPI參數(shù)（PWM1_SEL和PWM2_SEL）的不同，可以選擇外部或內(nèi)部PWM調(diào)光模式。在MAX20097中，由于沒有SPI接口，PWM調(diào)光直接由DIM引腳控制。PWM調(diào)光可以通過DIM引腳或SPI接口來實(shí)現(xiàn)，通過設(shè)置不同的占空比來調(diào)節(jié)LED的亮度。

電流監(jiān)測

器件在IOUTV引腳包含一個電流監(jiān)測功能。IOUTV電壓是電感電流在DIM為高電平時的模擬電壓指示。底部MOSFET上的電流感測信號通過一個反相放大器放大5倍，并加上0.2V的偏移電壓。這個放大后的信號通過一個采樣保持開關(guān)，只有在DL為高電平時采樣保持開關(guān)才會打開，從而得到一個能夠真實(shí)反映電感電流的信號。這個信號經(jīng)過RC濾波后，在IOUTV引腳輸出。

ADC功能（僅MAX20096）

MAX20096具有一個內(nèi)部ADC，用于測量兩個通道的輸出電壓、LED電流和器件溫度。ADC采用8位逐次逼近寄存器（SAR）拓?fù)洌ㄟ^一個5通道多路復(fù)用器依次采樣這些電壓。轉(zhuǎn)換由內(nèi)部生成的2MHz時鐘驅(qū)動。對于輸出電壓，ADC采樣是由PWM調(diào)光信號門控的，只有在PWM為高電平時且經(jīng)過一定延遲后才會采樣。所有ADC寄存器的數(shù)據(jù)完整性由第8位（即第9位）的奇校驗(yàn)保護(hù)。

SPI接口解析

概述

MAX20096的SPI接口與SPI/QSPI/Microwire/DSP兼容。SPI事務(wù)由一個CSB低電平間隔構(gòu)成的（N x 16）周期指令組成。SDI內(nèi)容包含一個讀寫位、地址、奇偶校驗(yàn)和輸入數(shù)據(jù)信息。SDO在CSB下降沿時由MAX20096驅(qū)動，最初呈現(xiàn)輸出數(shù)據(jù)的最高有效位（SPI_ERR位）。

RESETB引腳功能

RESETB引腳用于在SPI接口出現(xiàn)故障時將器件異步復(fù)位到故障安全默認(rèn)操作模式。當(dāng)RESETB為低電平時，所有配置內(nèi)容將復(fù)位到默認(rèn)狀態(tài)。除了CNFG_SPI寄存器外，在RESETB為低電平時進(jìn)行的寫模式事務(wù)將被拒絕。

設(shè)備連接方式

SPI接口支持標(biāo)準(zhǔn)（星形）和菊花鏈兩種設(shè)備連接方式。在標(biāo)準(zhǔn)連接中，每個設(shè)備需要一個獨(dú)立的CSB線，SCLK、SDI和SDO線是所有設(shè)備共用的。在菊花鏈連接中，一組設(shè)備可以共享一個CSB線，SDI和SDO線依次連接，這樣可以減少接口線的數(shù)量，提高通信效率。

事務(wù)類型

寫模式事務(wù)

寫模式事務(wù)需要滿足一定的條件才能執(zhí)行，包括事務(wù)長度必須為N x 16位、SDI數(shù)據(jù)幀奇偶校驗(yàn)必須通過、A[3:0]必須選擇一個有效的可寫寄存器或命令、RESETB在事務(wù)期間不能被斷言等。如果事務(wù)合格，指令將被執(zhí)行，內(nèi)部寄存器內(nèi)容將被更新，內(nèi)部事務(wù)日志也將更新以表示成功的事務(wù)。

讀模式事務(wù)

讀模式事務(wù)也需要滿足一定的條件，如事務(wù)長度必須為N x 16位、SDI數(shù)據(jù)幀奇偶校驗(yàn)必須通過、DIN[9:0]必須全為零等。如果事務(wù)合格，指令將被執(zhí)行，內(nèi)部寄存器內(nèi)容將被更新，內(nèi)部事務(wù)日志將更新以包含請求的內(nèi)容。

錯誤診斷

當(dāng)MAX20096接收到不合格的事務(wù)時，SPI_ERR位將被設(shè)置為1，同時還會有詳細(xì)的SPI診斷位來幫助診斷接口問題，如CLK_ERR、PAR_ERR、RW_ERR等。這些診斷位是讀清零的，即一旦被設(shè)置，只有通過一個合格的讀模式事務(wù)讀取SPI配置寄存器才能將其清除。

診斷功能

熱警告與熱關(guān)斷

當(dāng)結(jié)溫超過150°C時，熱警告標(biāo)志將被設(shè)置。當(dāng)結(jié)溫超過165°C（典型值）時，熱關(guān)斷標(biāo)志將被設(shè)置，此時兩個降壓穩(wěn)壓器的開關(guān)將關(guān)閉。當(dāng)結(jié)溫低于熱警告閾值時，標(biāo)志將在讀取時清除。

LED故障檢測

包括開路、短路和過流檢測。當(dāng)LED電流低于編程值的25%時，開路標(biāo)志將被設(shè)置；當(dāng)OUT引腳電壓低于短路閾值時，短路標(biāo)志將被設(shè)置；當(dāng)電流超過編程值的20%時，過流標(biāo)志將被設(shè)置。這些標(biāo)志是鎖存的，只有在問題解決后讀取時才會清除。

SPI錯誤檢測

SPI錯誤在CNFG_SPI寄存器中單獨(dú)報(bào)告，包括時鐘錯誤、奇偶校驗(yàn)錯誤和讀寫錯誤等。

寄存器映射

文檔中詳細(xì)列出了各個寄存器的地址、名稱、位域描述、復(fù)位值和訪問類型等信息。例如，NO_OP（0x00）寄存器是一個讀寫訪問寄存器，對IC的操作沒有影響，但可以用于驗(yàn)證SPI接口的操作。CNFG_SPI（0x01）寄存器用于控制SPI的配置和內(nèi)部安全終端的啟用狀態(tài)，并且在RESETB斷言期間也可以進(jìn)行寫操作。通過對這些寄存器的配置和讀取，用戶可以實(shí)現(xiàn)對器件的各種功能控制和狀態(tài)監(jiān)測。

PCB布局指南

輸入旁路電容

輸入旁路電容應(yīng)盡可能靠近IN和PGND引腳，以減小輸入旁路電容形成的環(huán)路面積。輸入電容器、器件、輸出電感器和輸出電容器應(yīng)放置在PCB的同一側(cè)，并在同一層進(jìn)行連接。

接地平面

應(yīng)在靠近包含電感器、器件以及輸入和輸出電容器的表面層的層上放置一個完整的接地平面，以提供良好的接地路徑，減少噪聲干擾。

開關(guān)節(jié)點(diǎn)

LX和BST節(jié)點(diǎn)的表面積應(yīng)盡可能小，以減少輻射。同時，應(yīng)盡量減小開關(guān)節(jié)點(diǎn)和接地節(jié)點(diǎn)之間的寄生電容，以降低共模噪聲。

散熱考慮

封裝底部的暴露焊盤必須焊接地，以實(shí)現(xiàn)電氣連接和散熱。為了降低熱阻，應(yīng)盡可能擴(kuò)展接地平面，并在器件下方和附近添加熱過孔到電路板內(nèi)的其他接地平面。

噪聲抑制

在同步整流器中，高速柵極驅(qū)動信號可能會產(chǎn)生顯著的傳導(dǎo)和輻射EMI。建議在柵極驅(qū)動信號中串聯(lián)一個小電阻（4Ω至10Ω），以減緩LX節(jié)點(diǎn)的轉(zhuǎn)換速率并降低噪聲。

總結(jié)

MAX20096/MAX20097是兩款性能卓越的雙路同步降壓高亮度LED控制器，它們具有集成度高、調(diào)光范圍寬、保護(hù)功能完善等優(yōu)點(diǎn)。通過對其電氣特性、工作原理、引腳配置、SPI接口、診斷功能和PCB布局等方面的深入了解，工程師可以更好地將這兩款控制器應(yīng)用到實(shí)際項(xiàng)目中，實(shí)現(xiàn)高效、穩(wěn)定的LED照明控制。在實(shí)際設(shè)計(jì)過程中，還需要根據(jù)具體應(yīng)用需求，合理選擇器件和配置參數(shù)，并嚴(yán)格按照PCB布局指南進(jìn)行設(shè)計(jì)，以確保系統(tǒng)的性能和可靠性。你在使用類似的LED控制器時遇到過哪些問題呢？歡迎在評論區(qū)分享你的經(jīng)驗(yàn)和見解。