電子工程師必備：MAX25220/MAX25221/MAX25221B/MAX25221C詳解

在汽車電子領域，TFT - LCD 顯示屏的應用越來越廣泛，其性能的優劣直接影響到駕駛員的體驗和安全性。而電源管理芯片作為顯示屏穩定運行的關鍵部件，其重要性不言而喻。今天，我們就來深入探討一下 Analog Devices 推出的 MAX25220、MAX25221、MAX25221B 和 MAX25221C 這幾款 4 通道 TFT - LCD 電源芯片。

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產品概述

MAX25220/MAX25221/MAX25221B/MAX25221C 這幾款芯片主要用于為汽車 TFT - LCD 提供所需的電源。它們能夠提供對稱的正電壓 AVDD 和負電壓 NAVDD，同時還能提供 (V{GON}) 和 (V{GOFF}) 柵極電源。其中，MAX25221、MAX25221B 和 MAX25221C 還集成了 VCOM 緩沖器和溫度測量模塊，這使得芯片在不同溫度環境下都能保持較好的性能。

芯片內部集成了非易失性存儲器，這意味著所有輸出的值可以在芯片的使用壽命內進行最多五次校準。編程是通過內置的 (I^{2}C) 接口完成的，該接口不僅可以用于編程，還能讀取診斷信息。此外，芯片還支持獨立運行模式，為不同的應用場景提供了更多的選擇。

關鍵特性與優勢

高度集成

• 電源輸出豐富：采用同步升壓轉換器，能夠提供 4.2V 至 10.5V 的 AVDD 電壓，最大電流可達 200mA；同時，NAVDD 反相器輸出電流最大可達 -200mA。通過調節電荷泵，能輸出 15mA 的 (V{GON}) 電壓（范圍為 7.6V 至 20.2V）和 (V{GOFF}) 電壓（范圍為 -18.2V 至 -5.6V）。這樣豐富的電源輸出能夠滿足大多數 TFT - LCD 的需求。
• VCOM 緩沖器：MAX25221、MAX25221B 和 MAX25221C 中的 VCOM 緩沖器輸出電壓范圍在 +1V 至 -2.49V 之間，調節步進為 6.83mV，并且集成了溫度測量模塊，可根據測量溫度自動調整 VCOM 輸出電壓。這一特性有助于提高顯示屏的顯示質量，減少圖像閃爍和色偏等問題。
• 控制與診斷：內置 (I^{2}C) 控制/診斷接口和 FLTB（中斷）輸出，能夠對所有輸出進行欠壓診斷，方便工程師及時發現和解決問題。

低電磁干擾（EMI）

芯片支持 420kHz/2.1MHz 的開關頻率，并具備擴頻功能，能夠有效降低電磁干擾，減少對周圍電子設備的影響。

應用靈活

芯片支持非易失性輸出電壓設置，可對 AVDD/NAVDD、(V{GON})、(V{GOFF})、VCOM 等參數進行設置，并支持獨立運行模式。這使得芯片在不同的應用場景中都能靈活配置，滿足多樣化的需求。

電氣特性

在詳細了解芯片的電氣特性前，先來看一張參數對比表：

這只是部分電氣特性的展示，從這些參數中可以看出芯片在電源輸入、內部穩壓等方面的性能表現。在實際應用中，工程師需要根據具體的設計要求，仔細研究這些參數，確保芯片能夠穩定工作。

引腳配置與功能

芯片采用 32 引腳 TQFN 封裝，不同型號的引腳配置略有差異。下面以 MAX25220 和 MAX25221/B/C 為例，介紹一下主要引腳的功能：

編程與控制引腳

• (V_{PROG})：編程電壓引腳。在對非易失性寄存器進行編程時，需要在該引腳施加 8.5V 的電壓；正常工作時，通過電阻連接到 GND。
• EN：使能輸入引腳。當該引腳為低電平時，芯片進入關斷狀態；為高電平時，芯片激活。在獨立運行模式下，EN 引腳變為高電平時，輸出將按照存儲的順序開啟。
• ADD：設備地址選擇引腳。連接到 GND 或 V18 可以選擇設備的 (I^{2}C) 地址。如果要使用獨立運行模式（不使用 (I^{2}C)），則讓該引腳浮空，此時當 EN 引腳變為高電平時，設備將按照編程的順序開啟所有輸出。

電源與信號引腳

• IN 和 INN：分別為顯示偏置電路的電源連接和反相轉換器的輸入，需要分別連接合適的電容到地，以確保芯片的穩定工作。
• V18：內部 1.8V 穩壓器的輸出，需要連接一個 1μF 的電容到 GND。
• BST：同步整流驅動器的自舉電容連接，需連接一個 0.1μF 的陶瓷電容到 LXP。
• AVDD 和 NAVDD：分別為升壓轉換器的開關輸出和負源極驅動器輸出電壓，需要連接相應的旁路電容到地。
• (V{GON}) 和 (V{GOFF})：分別為正電荷泵模塊和負電荷泵模塊的輸出，需要分別連接一個 1μF 的電容到 GND。
• SDA 和 SCL：雙向 (I^{2}C) 數據引腳和 (I^{2}C) 時鐘引腳，用于與控制器進行通信。
• FLTB：開漏、低電平有效故障輸出引腳。在獨立運行模式下，該引腳的占空比可以指示錯誤狀況；使用串行接口時，該引腳為 0 表示有數據需要從內部寄存器讀取，為 1 表示正常。

工作模式與功能

上電狀態

芯片上電后處于低靜態電流模式，直到 EN 引腳變為高電平。當 EN 引腳變為高電平且 IN 引腳的電源電壓超過欠壓鎖定電壓 2.5V 時，1.8V 穩壓器開啟，芯片在延遲 1ms 后開始正常工作。后續的操作取決于芯片的配置和類型。

開關頻率設置

通過 CONFIG 寄存器中的 fSW 位可以設置升壓和反相轉換器以及電荷泵的開關頻率。當 fSW 為 0 時，開關頻率為 2.1MHz；當 fSW 為 1 時，開關頻率為 420kHz。此外，還可以通過 en_ss 位開啟擴頻功能，以改善 EMI 性能。

獨立運行模式

當芯片已經完成編程后，可以使用獨立運行模式。在該模式下，只需將電源施加到芯片上，并將 EN 引腳變為高電平，芯片就會按照預先編程的值啟動。此時，需要讓 ADD 引腳浮空。

(I^{2}C) 只讀模式

對于 MAX25221B/C 型號，當電源施加且 EN 引腳變為高電平時，芯片會立即以預先編程的值啟動。如果 ADD 引腳連接到 V18，(I^{2}C) 接口將處于只讀模式，只能用于讀取設備寄存器。

電源供應與時序控制

源極驅動器電源供應

AVDD 和 NAVDD 電源是芯片為 TFT - LCD 源極驅動器提供的重要電源。AVDD 升壓轉換器是一個電流模式轉換器，具有兩個內部開關和內部補償功能，其直接輸出為 HVINP，而 AVDD 是開關輸出版本。NAVDD 轉換器同樣是電流模式轉換器，具有一個內部開關、一個外部二極管和內部補償功能。需要注意的是，AVDD 和 NAVDD 的電壓是自動緊密調節的，NAVDD 的絕對值與 AVDD 相等，且不能獨立于 AVDD 進行調整。

柵極驅動器電源供應

正柵極驅動器電源 (V{GON}) 是一個穩壓電荷泵三倍器，能夠產生高達 +20.2V 的電壓，其最大輸出電壓為 3 x AVDD - (R{ON TOTAL}) x (I{V{GON}}) x K（其中 (R_{ON TOTAL}) 通常為 30Ω，K 為 0.75）。如果使用兩倍電荷泵就足夠滿足需求，可以設置 cp2stage 位，并讓引腳 FC1 - 和 FC1 + 浮空，以提高效率。負柵極驅動器電源 (V{GOFF}) 能夠產生最大 -18.2V 的負電壓，需要外部二極管和電容的支持。(V{GON}) 和 (V{GOFF}) 的調節電壓可以通過 (I^{2}C) 接口寫入 vgon[5:0] 和 vgoff[5:0] 值來設置，并可以存儲在寄存器的非易失性部分。

時序控制

電源的上電和下電序列由 VCOM_L 寄存器中的 seq_set[2:0] 位控制。在執行序列之前，需要先寫入設置，并且在開啟或關閉序列期間不能更改。以下是一些可用的序列選項：

這些序列中的時間由 DELAY - VCOM_LSB 寄存器中的 delayt1、delayt2 和 delayt3 設置確定。將延遲設置為 0 可以獲得最快的上電速度。在掉電序列中，輸出電壓不會被監控，每個輸出將按照編程的延遲依次關閉。當延遲設置為 0 時，輸出將以 1ms 的延遲依次關閉。序列可以通過寫入 burn_otp_reg 寄存器存儲在非易失性存儲器中。電源下電序列完成 200ms 后，V18 線性穩壓器將關閉，此時芯片處于關斷模式，可以通過將 EN 輸入設置為高電平來重新啟動。

VCOM 緩沖器相關功能

VCOM 輸出電壓編程

VCOM 輸出電壓可以通過 (I^{2}C) 編程設置在 -2.49V 至 +1V 之間的某個值，這個 9 位的值也可以存儲在非易失性存儲器中。VCOM 電壓設置的最高有效位在 VCOM25 寄存器中，最低有效位是 DELAY - VCOM_LSB 寄存器中的 vcom25_0 位。

VCOM 故障檢測

VCOM 緩沖器能夠輸出高達 ±120mA 的峰值電流。如果 VCOM 輸出電壓與設定值偏差超過 0.25V，將檢測到 VCOM 故障，并在 FAULT2 寄存器中通過 vcomflt 位進行標記。當檢測到故障時，VCOM 緩沖器仍會繼續工作，但可能會導致高功耗，甚至可能導致整個設備熱關斷。如果 VCOM 緩沖器連續處于電流限制狀態的時間超過 tfault[1:0] 設置的時間，它將與 AVDD、NAVDD、(V{GON}) 和 (V_{GOFF}) 輸出一起被禁用，以避免損壞 IC。在這種情況下，vcom_flt 位也會被設置。

VCOMN 負電源

通過一個線性穩壓器從 NAVDD 電源中導出一個穩壓的 -3.5V 電壓，為 VCOM 緩沖器供電。連接到 VCB 引腳的 npn 晶體管作為穩壓器的傳輸晶體管，其峰值輸出電流與 VCOM 輸出的峰值負驅動電流相同，至少為 120mA。設備會檢測 VCOMN 處的電壓，并通過驅動 VCB 將其調節到 -3.5V，外部 npn 基極的峰值驅動電流至少為 5mA。

VCOM 電壓范圍限制與溫度補償

當溫度補償功能未啟用時，可以通過 VCOM_MIN 和 VCOM_MAX 寄存器將 VCOM 的波動范圍限制在設定的值之間。如果試圖向 VCOM25 寫入超出設定范圍的值，VCOM 輸出電壓將不會更新，并且 (I^{2}C) 接口會發出 NACK。VCOM 輸出電壓可以根據溫度變化進行補償，可以使用連接到 TEMP 輸入的溫度敏感組件（如 NTC 熱敏電阻）或內部溫度傳感器。通過 CONFIG 寄存器中的 int_sensor 位選擇要使用的傳感器（默認配置為使用外部傳感器）。TEMP 引腳被強制設置為 625mV，從該引腳汲取的電流會被鏡像到 RREF 引腳，RREF 引腳上的電阻產生的電壓會被輸入到內部 8 位 ADC 中，ADC 的參考電壓為 1.25V。通過設置 DELAY - VCOM_LSB 寄存器中的 T_comp_en 位可以啟用溫度補償功能。啟用后，RREF 引腳上的電壓將被測量，VCOM 輸出電壓將以 1Hz 的速率更新。在啟動時，即使啟用了溫度補償功能，由于需要時間來采樣溫度，補償功能會有一定的延遲才會生效，因此設備總是以 VCOM25 寄存器中的電壓值啟動 VCOM。

故障處理與非易失性存儲器

故障處理

芯片對故障的反應取決于其工作模式是 (I^{2}C) 模式還是獨立運行模式。在 (I^{2}C) 模式下，如果未屏蔽以下故障，會導致 FLTB 引腳拉低：avdd_uv、navdduv、(v{gon})uv、(v{goff})_uv、vcom_flt、nv_flt、th_shdn、vin_uvlo 和 par_err。th_warn 故障默認是屏蔽的，需要通過 th_warnmask 位顯式啟用。當 ADD 引腳浮空（不使用 (I^{2}C) 接口）時，FLTB 引腳會根據檢測到的故障輸出不同占空比的脈沖序列，例如 (V{GON}) 或 (V_{GOFF}) 故障時占空比為 75%，AVDD、NAVDD 或 HVINP 故障時占空比為 50%，VCOM 故障時占空比為 25%，NV 故障或熱關斷時占空比為 0%（持續低電平）。當檢測到多個故障時，會指示優先級最高的故障。

非易失性存儲器

MAX25220/MAX25221/MAX25221B/MAX25221C 包含六個一次性可編程存儲器塊，用戶可以將從 0x07 到 0x15 的易失性寄存器塊存儲在非易失性存儲器中，該存儲器映射到寄存器位置 0x17 到 0x25。在對非易失性存儲器進行編程之前，讀取 0x17 到 0x25 位置會得到結果 0xFF。非易失性存儲器的內容通過單錯誤糾正/雙錯誤檢測（SECDED）冗余代碼進行保護，從非易失性存儲器到寄存器 0x07 到 0x15 的數據傳輸通過奇偶校驗進行保護。如果奇偶校驗失敗，會進行兩次重試；如果三次嘗試均不成功，設備將無法啟動，nv_flt 位會被設置，FLTB 引腳會拉低。如果 SECDED 檢查失敗，也會出現相同的情況。如果沒有錯誤，輸出將以存儲的值和存儲的序列開啟。要將寄存器 0x07 到