MAX25560：六通道LED背光驅動的技術解析與應用指南

在汽車顯示等領域，LED背光驅動的性能對于顯示效果起著關鍵作用。今天我們就來詳細剖析Analog Devices的MAX25560，一款六通道LED背光驅動與升壓控制器的集成芯片。

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產品概述

MAX25560是一款具備集成電流模式升壓控制器的六通道LED背光驅動器。它的開關頻率范圍在400kHz至2.2MHz之間，還集成了擴頻功能，可有效降低電磁干擾（EMI）。輸出通道可選相移功能進一步增強了其在EMI抑制方面的表現。每個通道能夠提供高達220mA的電流，憑借獨特的輸入電壓切換方案，即使在極低的電池電壓下也能穩定工作。該芯片擁有廣泛的診斷功能和I2C接口，采用緊湊的TQFN封裝，工作溫度范圍為 -40°C至 +125°C。

應用場景

• 汽車儀表盤：為儀表盤提供穩定、均勻的背光，確保在各種環境下都能清晰顯示信息。
• 汽車中央信息顯示屏：滿足高分辨率顯示屏的背光需求，提升顯示質量。
• 汽車抬頭顯示：為抬頭顯示系統提供可靠的背光支持。

優勢與特性

• 寬輸入電壓范圍：電池輸入低至3V時仍能維持5V柵極驅動，適應不同的電源環境。
• 靈活的工作模式：升壓或SEPIC電流模式DC - DC控制器，可根據具體應用選擇合適的拓撲結構。
• 頻率范圍與擴頻：400kHz至2.2MHz的工作頻率范圍，可選擴頻功能，降低EMI。
• 高輸出電流與低調節電壓：每串高達220mA的輸出電流，低OUT_調節電壓，保證LED的穩定工作。
• 多模式調光：支持高達16667:1的調光比，具備外部或內部（I2C）調光以及混合調光模式。
• 集成電荷泵：驅動串聯nMOSFET，簡化電路設計。
• 溫度保護：通過外部NTC溫度傳感器實現溫度折返功能，保障芯片在高溫環境下的可靠性。
• 快速啟動：可通過EN引腳實現無需I2C干預的快速啟動。
• 豐富的診斷功能：FLTB輸出提供多種診斷信息，如LED短路、開路、輸入過流等。

電氣特性

電源相關

• BATT工作電壓范圍：正常工作時為4.5V至36V，啟動后在100ms的最大持續時間內可低至3V。
• BATT靜態電流：無開關時典型值為2.3mA，關斷時為4μA至10μA。
• BATT欠壓鎖定：上升閾值為4.1V至4.35V，下降閾值為2.77V至2.95V。

調節器相關

• V18調節器：輸出電壓在無負載時為1.72V至1.88V，電流限制為50mA，欠壓鎖定閾值為1.6V至1.7V。
• V5調節器：輸出電壓在特定條件下為4.8V至5.2V，壓降為0.18V至0.3V，欠壓鎖定閾值為3.75V至4.05V。

其他特性

• 振蕩器頻率：可編程范圍為400kHz至2200kHz，可通過RT引腳連接的電阻進行設置。
• 頻率抖動：高設置時為±6%，低設置時為±4%。
• 同步功能：可與外部時鐘同步，同步頻率范圍為400kHz至2200kHz。

功能詳解

欠壓鎖定

芯片具備三個欠壓電路，分別監測BATT的輸入電壓以及V5和V18內部LDO穩壓器的輸出。只有當BATT、V5和V18超過各自的欠壓鎖定（UVLO）閾值時，背光升壓功能才能啟用。

低壓運行

在升壓軟啟動完成后，即使BATT電壓低于5V，MAX25560仍能繼續工作，并維持NDRV處外部MOSFET的5V驅動。當BATT電壓降至VBATT_LVF時，V5穩壓器將輸入從BATT切換到BOOST，升壓轉換器的電流限制自動增加到VCSP_LV，若開關頻率大于1.4MHz則會降低。只要BOOST上的電壓高于VBATT_LVF，切換就會發生。在這種模式下，如果連續四個周期超過標準電流限制，將啟動一個100ms的定時器，定時器到期后電流限制恢復到原始值。

輸入電流監測

通過在BATT和SENSE之間連接外部感測電阻實現輸入過流保護。在啟動的2ms NGATE開啟階段后，如果感測電阻兩端的電壓超過200mV且持續時間大于4μs，升壓轉換器將被鎖定關閉，DIAG2_REG寄存器中的ISNS_SD位將被設置，FLTB引腳將被拉低?？赏ㄟ^設置DIS_ISNS_SD位為1來禁用此關機功能，此時檢測到輸入過流時設備將繼續運行，ISNS_SD位被設置，但FLTB不會拉低。要重新啟用設備，可切換電源、EN輸入引腳或ENA位。

振蕩器頻率與外部同步

內部振蕩器頻率可通過連接在RT引腳和GND之間的定時電阻（RRT）在400kHz至2.2MHz之間進行編程。計算公式為： [R{R T}=frac{26130}{f{S W}}+0.33] 其中 (R{RT}) 單位為kΩ， (f{SW}) 單位為kHz。若RT電阻值過低或引腳短路到GND，升壓轉換器將無法啟動，FLTB引腳將變低。 要將振蕩器與外部時鐘同步，需將外部時鐘AC耦合到RT輸入，AC耦合電容值為 (C_{SYNC }=10 pF) ，外部時鐘的占空比應為50%。在啟動時，不要將同步信號施加到RT引腳，以免導致RT電阻值檢查失敗。在低輸入電壓且開關頻率高于1MHz時，開關頻率會自動降低，以實現高占空比操作并維持輸出電壓調節，同步到外部頻率時同樣適用。

擴頻功能

芯片包含擴頻調制功能，可降低開關頻率及其諧波處的峰值電磁干擾（EMI）?？赏ㄟ^SETTING_REG寄存器中的SS_OFF位啟用和禁用擴頻功能。擴頻采用偽隨機抖動技術，根據SSL位的設置，開關頻率在94%至106%或96%至104%的編程開關頻率范圍內變化。使用擴頻時，基波和各諧波的總能量分布在更寬的帶寬上，從而降低了相關頻率處的峰值能量。若使用外部同步，則禁用擴頻功能。

LED電流控制

芯片具有六個相同的恒流源，用于驅動多個高亮度LED串。每個通道的電流可通過設置ISET_REG寄存器中的7位值iset[6:0]在34.5mA至225mA之間進行調節。為加速設備啟動，可通過在ISET引腳和GND之間連接電阻來設置初始LED電流。當EN引腳拉高時，設備立即啟動，ISET引腳上電阻確定的電流值將加載到ISET_REG寄存器的iset[6:0]字段中，并可隨后通過I2C接口進行調整。多個通道可并聯以提供超過225mA的串電流。

電流模式DC - DC控制器

該設備采用恒頻電流模式控制器，可在升壓或SEPIC配置下驅動LED。芯片具有多環控制功能，用于調節電感中的峰值電流以及LED電流吸收器兩端的電壓，以最小化功耗。采用可編程斜率補償來避免在連續導通模式下占空比大于50%時可能出現的次諧波振蕩。 在每個開關周期開始時，外部nMOSFET開啟，電感電流線性上升，直到達到反饋回路設置的峰值電流水平時關閉。峰值電感電流通過連接在外部nMOSFET源極和PGND之間的電流感測電阻（RCS）兩端的電壓進行感測。芯片具有前沿消隱功能，以抑制外部nMOSFET的開關噪聲。PWM比較器將電流感測電壓加上斜率補償信號與跨導誤差放大器的輸出進行比較，當CSP處的電壓超過誤差放大器的輸出電壓（COMP引腳處）時，控制器關閉外部nMOSFET，此過程在每個開關周期重復，以實現峰值電流模式控制。 除了峰值電流模式控制回路外，芯片還有另外兩個反饋回路用于控制。轉換器輸出電壓通過BSTMON輸入進行感測，該輸入連接到誤差放大器的反相輸入。BSTMON增益（AOVP）定義為VOUT/VBSTMON，即 (R17 + R16)/R16。另一個反饋來自OUT_電流吸收器，該回路控制電流吸收器的裕量電壓，以最小化總功耗，同時確保準確的LED電流。每個電流吸收器都有一個窗口比較器，低閾值為0.58V，高閾值為0.85V，這些比較器驅動邏輯來控制一個上下計數器，上下計數器在DIM輸入的每個下降沿更新，并驅動一個8位數模轉換器（DAC），該DAC設置誤差放大器的參考值。

9位DAC

誤差放大器的參考輸入由一個9位DAC控制。在啟動期間，DAC輸出逐漸上升以實現軟啟動功能。在正常運行期間，DAC輸出范圍限制在0.482V至0.996V之間。由于在正常運行期間DAC輸出不低于0.482V，因此輸出的過壓閾值應設置為小于最小LED正向電壓的兩倍。DAC的LSB根據以下公式確定最小輸出電壓步長： [V_{STEPMIN }=V{D A C{L S B}} × A{O V P}] 其中 (V_{STEPMIN}) 是最小輸出電壓步長， (V{DAC{LSB}}) 典型值為1.95mV， (A{OVP}) 是BSTMON電阻分壓器增益（1 + R6/R7）。

啟動序列

升壓轉換器的啟動序列分為三個階段：

• 階段1：ENA位設置為1后，若V5和BATT電壓超過各自的欠壓閾值，控制器將開啟外部nMOSFET的NGATE電荷泵，電荷泵的輸出電流對外部nMOSFET的柵極充電，使其開啟。2ms超時后，啟動階段2。若不使用NGATE，可通過設置DISABLE_REG寄存器中的CP_DIS位來禁用NGATE電荷泵。
• 階段2：外部MOSFET在NGATE上啟用后，芯片進行上電檢查，包括未使用串檢測和OUT_短路到地檢測。若檢測到任何OUT_短路到地，轉換器將不啟動。檢測到未使用的電流吸收器將被禁用，以防止在正常運行期間誤報故障標志。檢查完成后，轉換器開始運行，輸出電壓開始上升。誤差放大器的DAC參考值逐步增加，直到OVP引腳達到0.48V（快速啟動模式下為0.88V）。此階段持續時間固定為約50ms（快速啟動模式下為22ms）。
• 階段3：第二階段完成且DIM輸入變高時，第三階段開始。在階段3中，轉換器的輸出進行調整，直到最小OUT電壓落在窗口比較器的0.58V（典型值）和0.85V（典型值）限制范圍內。輸出斜坡再次由DAC控制，DAC為誤差放大器提供參考值。DAC輸出在DIM輸入的每個上升沿更新。若DIM輸入為100%占空比（DIM = 高），則DAC輸出每10ms更新一次。 在慢速啟動模式下，總軟啟動時間可使用以下公式計算： [t{S S}=50 m s+frac{V{L E D}+0.87-(0.48× A{O V P})}{f{D I M} × 0.01 × A{O V P}}] 其中 (t{SS}) 是總軟啟動時間，50ms是固定的階段1持續時間， (V{LED}) 是LED串的總正向電壓，0.81V是窗口比較器的中點， (A{OVP}) 是OVP電阻分壓器的增益， (f{DIM}) 是調光頻率（若DIM輸入占空比為100%，使用100Hz），0.01V是DAC每個時鐘周期的最大電壓步長。

調光功能

基本調光方式

調光可通過將外部PWM信號施加到DIM引腳或寫入TONn_REG寄存器（n為OUT_引腳編號，需先將DIM_EXT位設置為0）來實現。當TON_ALL位設置為1時，TON1_值將用于所有活動輸出。DIM引腳的信號由20MHz內部時鐘采樣，除非禁用相移，此時DIM信號直接控制OUT_輸出。

低調光模式

當調光脈沖非常窄時，芯片進入低調光模式，以確保LED的調光響應一致。若調光導通時間低于50μs（典型值），設備進入低調光模式（由LO_DIM寄存器中的位指示）。在此狀態下，轉換器持續開關，LED短路檢測被禁用。當DIM輸入大于51μs（典型值）時，設備返回正常運行，啟用短路LED檢測，僅在有效調光信號為高時切換功率FET。

相移調光

當SET_REG寄存器中的PSEN位設置為1時，啟用LED串的相移功能。為此，DIM信號由20MHz時鐘內部采樣，設備根據啟用的串數自動設置串之間的相移值。啟用相移時，采樣的DIM輸入用于為每個LED串生成單獨的相移調光信號。DIM信號的捕獲分辨率在較高的DIM輸入頻率下會降低，因此建議調光頻率在100Hz至3kHz之間，盡管技術上可以使用更高的調光頻率。串之間的相移由以下公式確定： [Theta=360 / n] 其中n是使用的串總數，θ是相移角度（度）。

自動淡入/淡出

通過將FADING_REG寄存器中的FADE_IN_OUT位設置為1，可配置設備在DIM輸入占空比或TON_設置更改時實現亮度的平滑變化。使用淡入功能時，在進入100%占空比時保持DIM頻率恒定非常重要，以避免錯誤的頻率測量，從而影響淡入速度。

禁用單個串

要禁用未使用的LED串，可通過9.1kΩ電阻將未使用的OUT_連接到地，或在設置ENA位之前將DISABLE寄存器中相應的DIS_位設置為1。在啟動期間，設備通過OUT_引腳提供60μA（典型值）電流并測量相應的電壓。為了正確禁用串，在檢查期間OUT_電壓應在VOUT_GND的最大值和VOUT_UN的最小值之間。注意，禁用未使用的串時，應先禁用編號最高的電流吸收器（例如，若需要禁用兩個串，應禁用OUT6和OUT5，而不是隨機禁用兩個串）。在正常運行期間，可通過將相應的TON_設置更改為0來選擇性地關閉串，這僅在使用內部調光時可行（而不是使用DIM輸入引腳）。

混合調光

要啟用混合調光模式，需設置IMODE_REG寄存器中的HDIM位。在混合調光模式下，外部LED首先通過降低電流進行調光，當調光占空比從100%減小時，在由HDIM_THR_1_0[1:0]位設置的交叉點，調光過渡到PWM調光，此時LED電流被斬波。根據DIM_EXT位的設置，設備有兩種工作方式：

• 若DIM_EXT = 1，測量DIM引腳的占空比并將其轉換為組合的LED電流值和PWM設置。
• 若DIM_EXT = 0，從TON1寄存器獲取18位值并將其轉換為組合的LED電流值和PWM設置。

溫度折返

在獨立模式下，當NTC溫度傳感器連接在GND和連接到V18電源的電阻（RT1）之間，并且另一個電阻（RT2）從NTC和RT1的連接點連接到TEMP引腳時，實現溫度折返功能。當溫度達到由RT1設置的溫度T1時，LED中的電流根據線性方案降低。電流降低的斜率由RT2設置。MAX25560特別設計用于與NTCLE100E3或類似的NTC設備配合使用。

診斷與保護功能

故障輸出與屏蔽

當檢測到故障時，開漏故障標志輸出（FLTB）變低?？墒褂肕ASK1和MASK2寄存器中的位抑制某些故障導致FLTB變低。若未屏蔽，以下故障會使FLTB拉低：OUT_開路、短路LED或短路到地；RT超出范圍、IREF超出范圍、ISET超出范圍；升壓欠壓、V18超出范圍、V5超出范圍；BATT欠壓、升壓輸入過流；過熱警告。

開路LED管理與過壓保護

升壓轉換器軟啟動后，芯片檢測開路LED串，并將任何此類串與內部最小OUT_電壓檢測器斷開，以保持DC - DC轉換器輸出電壓在正確范圍內并維持高效率。檢測到開路的串中的電流不會由ADC測量，讀數為零。在正常運行期間，DC - DC轉換器輸出調節回路使用最小OUT_電壓作為反饋輸入。若任何LED串開路，開路OUT處的電壓將變為VLEDGND，DC - DC轉換器輸出電壓將增加到由連接在轉換器輸出、BSTMON輸入和GND之間的分壓器網絡設置的過壓保護閾值。DC - DC轉換器輸出的過壓保護閾值使用以下公式確定： [V{OUT }=0.95 timesleft(1+frac{R