LM36922H：高效雙串白光 LED 驅動芯片的深度解析

在電子工程師的日常設計工作中，為 LCD 顯示屏背光選擇合適的 LED 驅動芯片至關重要。今天，我們就來詳細探討一下 Texas Instruments 推出的 LM36922H 這款超緊湊、高效的雙串白光 LED 驅動芯片。

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一、產品概述

1.1 基本信息

LM36922H 是一款專為 LCD 顯示背光設計的芯片，它可以為一到兩串白光 LED 供電。該芯片工作在 2.5 - 5.5V 的輸入電壓范圍內，并且能夠在 -40°C 到 +85°C 的溫度范圍內穩定運行。其采用 12 引腳的 DSBGA 封裝，尺寸僅為 1.756 mm × 1.355 mm，十分小巧，適合應用于對空間要求較高的設備，如智能手機和平板電腦。

1.2 關鍵特性亮點

• 精準的電流匹配和控制：在不同的工藝、電壓和溫度條件下，都能實現 1% 的匹配電流沉和 3% 的電流沉精度，確保每串 LED 的亮度均勻一致。同時，具有 11 位的調光分辨率，能夠實現非常細膩的亮度調節。
• 高轉換效率：解決方案效率最高可達 90%，這意味著在為 LED 供電時，能夠有效減少能量損耗，降低設備的功耗。
• 靈活的驅動能力：可以驅動一到兩串并行的 LED，每串電流可達 25 mA，輸出電壓最高可達 38 V，滿足多種不同的 LED 配置需求。
• 豐富的調光和控制方式：支持 PWM 調光輸入，并且可以通過 I2C 接口進行編程，用戶可以根據實際需求靈活選擇控制方式。
• 可調節的開關頻率：提供 500 - kHz 和 1 - MHz 兩種可選的開關頻率，還可以選擇 -12% 的頻率偏移，同時具備自動開關頻率模式（250 - kHz、500 - kHz、1 - MHz），能夠根據負載電流自動調整頻率，優化效率。
• 完善的保護功能：具有四種可配置的過壓保護閾值（17 - V、24 - V、31 - V、38 - V）和過流保護閾值（750 - mA、1000 - mA、1250 - mA、1500 - mA），以及熱關斷保護功能，確保芯片在各種異常情況下都能安全穩定地工作。
• 可選擇的 I2C 地址：通過 ASEL 輸入引腳，可以外部選擇兩種 I2C 地址選項，方便在同一系統中使用多個芯片。

二、引腳配置與功能

2.1 引腳布局

LM36922H 采用 12 引腳的 DSBGA 封裝，其引腳布局經過精心設計，以方便與其他電路元件進行連接。每個引腳都有特定的功能，包括 LED 電流輸入、I2C 接口、PWM 控制、硬件使能等。

2.2 主要引腳功能解釋

• LED1 和 LED2：分別是兩個電流沉的輸入引腳，用于連接 LED 燈串。芯片的升壓轉換器會將這兩個引腳之間的最小電壓調節到 VHR。
• ASEL：邏輯輸入引腳，用于選擇兩種 I2C 地址選項。當該引腳接地時，I2C 地址為 0x36；當該引腳接高電平時，I2C 地址為 0x37。
• SDA 和 SCL：I2C 接口的數據輸入/輸出和時鐘輸入引腳，通過這兩個引腳可以與其他 I2C 設備進行通信，實現對芯片的編程和配置。
• PWM：邏輯電平輸入引腳，用于進行 PWM 電流控制，通過調節 PWM 信號的占空比，可以實現對 LED 亮度的調節。
• HWEN：硬件使能輸入引腳，當該引腳為高電平時，芯片被使能，可以進行 I2C 寫入或 PWM 控制；當該引腳為低電平時，芯片進入低功耗關機模式。

三、電氣特性與性能指標

3.1 絕對最大額定值

芯片的各個引腳都有明確的絕對最大額定值，例如輸入電壓范圍為 -0.3 - 6 - V，輸出過壓檢測輸入為 -0.3 - 40 - V 等。在設計電路時，必須確保各個引腳的電壓和電流不超過這些額定值，否則可能會導致芯片永久性損壞。

3.2 ESD 額定值

該芯片具有一定的靜電放電（ESD）防護能力，人體模型（HBM）的 ESD 額定值為 ±2000 - V，帶電設備模型（CDM）的 ESD 額定值為 ±500 - V。在實際使用過程中，還是需要采取適當的 ESD 防護措施，以避免芯片受到靜電損壞。

3.3 推薦工作條件

為了確保芯片能夠正常、穩定地工作，推薦的輸入電壓范圍為 2.5 - 5.5 - V，過壓檢測輸入為 0 - 38 - V 等。在設計電源電路時，應該盡量滿足這些推薦工作條件。

3.4 典型電氣特性

• 電流匹配和精度：在 50 - μA 到 25 - mA 的 LED 電流范圍內，LED 電流匹配精度可達 ±1%，絕對精度可達 ±3%，確保了 LED 燈串之間的亮度一致性。
• 開關頻率：可選擇 500 - kHz 和 1 - MHz 的開關頻率，并且可以選擇 -12% 的頻率偏移，以滿足不同的應用需求。
• 效率：在典型應用電路中，當輸入電壓為 3.7 - V，每串 LED 電流為 5 - mA 時，效率可達 86%，具有較高的能量轉換效率。
• 其他特性：還包括 NMOS 開關導通電阻、過流保護閾值、過壓保護閾值、熱關斷溫度等特性，這些特性共同保證了芯片的性能和可靠性。

四、功能特性詳解

4.1 使能與啟動

芯片通過 HWEN 引腳進行使能和禁用控制。當 HWEN 為低電平時，芯片處于禁用狀態，進入低功耗關機模式；當 HWEN 為高電平時，芯片被使能。每個電流沉都有單獨的使能輸入，支持單串或雙串 LED 應用。默認情況下，兩個燈串都被使能。在芯片啟動時，可以通過設置芯片使能位、PWM 輸入或寫入亮度寄存器來控制 LED 的亮度。

4.2 亮度映射方式

芯片支持線性和指數兩種亮度映射方式：

• 線性映射：LED 電流與 11 位亮度代碼成比例關系，計算公式為 (I_{LED}=37.806 mu A + 12.195 mu A × Code)，適用于需要精確控制亮度變化的應用場景。
• 指數映射：LED 電流遵循指數關系 (I_{LED}=50 mu A × 1.003040572^{Code})，每個代碼對應的 LED 電流步長約為 0.304%，能夠實現平滑的亮度變化，視覺效果更佳。

4.3 PWM 輸入特性

• 采樣輸入：PWM 輸入是一個采樣輸入，能夠將輸入的占空比信息轉換為 11 位的亮度代碼，有效消除了傳統 PWM 控制 LED 驅動器中常見的噪聲和電流紋波問題。
• 采樣頻率選擇：支持四種可選的采樣率，選擇采樣率需要綜合考慮所需的 PWM 分辨率、PWM 輸入頻率和效率等因素。較低的采樣率可以降低芯片的靜態工作電流，提高效率，但可能會影響 PWM 分辨率。
• 滯回設置：為了防止 PWM 信號的抖動影響 LED 電流，芯片提供了七種可選的滯回設置，通過設置滯回值，可以確保在輸入占空比發生變化時，LED 電流不會出現不必要的振蕩。
• 超時功能：當 PWM 信號被啟用但沒有檢測到 PWM 脈沖時，芯片的 PWM 超時功能會關閉升壓輸出，以節省能量。超時時間根據所選的 PWM 采樣率而定。

4.4 LED 電流斜坡

芯片提供 8 種可編程的斜坡速率，用于控制 LED 電流從一個設定點到另一個設定點的變化時間。斜坡時間取決于電流之間的代碼步數和編程的每步時間，通過合理設置斜坡速率，可以實現平滑的亮度漸變效果，避免亮度突變對人眼造成的不適。

4.5 調節的裕量電壓

為了優化效率、電流精度和燈串間的匹配，LED 電流沉的調節裕量電壓（VHR）會根據目標 LED 電流進行變化。升壓轉換器會將電壓最高的 LED 燈串的陰極作為調節點，確保兩個電流沉在任何情況下都能保持穩定的電流輸出。

4.6 亮度控制模式

芯片具有四種亮度控制模式：

• 僅 I2C 模式：LED 電流由 I2C 亮度寄存器控制，PWM 輸入被禁用。在這種模式下，需要依次寫入 3 位 LSB 和 8 位 MSB 來實現 11 位電流的完整變化。
• 僅 PWM 模式：LED 亮度僅由 PWM 輸入信號控制，I2C 代碼被忽略。芯片會對 PWM 輸入信號進行采樣，將其占空比轉換為 11 位數字代碼，然后應用到內部的斜坡器。
• I2C × PWM 后斜坡模式：I2C 亮度代碼與 PWM 占空比相乘得到一個 11 位代碼，然后將該代碼發送到斜坡器進行電流調節，在 I2C 和 PWM 電流變化之間實現斜坡效果。
• I2C × PWM 前斜坡模式：在這種模式下，I2C 亮度代碼和 PWM 占空比的處理順序與上一種模式不同，同樣可以實現亮度的平滑調節。

4.7 自動開關頻率

芯片具有自動開關頻率功能，能夠根據負載電流的大小自動調整升壓開關頻率。除了可通過寄存器編程的 500 - kHz 和 1 - MHz 開關頻率外，自動頻率模式還包含 250 - kHz 的低頻選擇。通過設置自動頻率高閾值和低閾值寄存器，可以實現不同頻率之間的切換，以優化效率。

4.8 I2C 地址選擇

通過 ASEL 引腳可以選擇兩種 I2C 從地址選項，當 ASEL 接地時，從地址為 0x36；當 ASEL 接輸入電壓（VIN）時，從地址為 0x37。該引腳在電源上電時（VIN > 1.8 - V 且 HWEN > 高電平閾值電壓）被讀取，上電后不能再更改。

4.9 故障保護與檢測

• 過壓保護（OVP）：提供四種可配置的 OVP 閾值（17 - V、24 - V、31 - V、38 - V），用于監測升壓輸出電壓，防止在開路負載或 LED 燈串電壓過高的情況下，OUT 和 SW 引腳的電壓超過安全工作范圍。當檢測到過壓情況時，會根據不同的條件采取相應的保護措施，如禁用升壓電路、設置故障標志等。
• LED 燈串故障檢測：能夠檢測 LED 燈串的開路和短路故障。當檢測到 LED 燈串開路時，芯片會設置相應的故障標志；當檢測到 LED 燈串短路時，也會及時發出警報。
• 過流保護（OCP）：具有四種可選擇的 OCP 閾值（750 - mA、1000 - mA、1250 - mA、1500 - mA），采用逐周期電流限制方式。當檢測到過流情況時，內部的 NFET 會在當前開關周期內關閉，以保護芯片免受過流損壞。
• 過熱保護（TSD）：當芯片的管芯溫度達到 135°C 時，會觸發熱關斷保護，停止升壓開關動作，并設置 TSD 標志。當管芯溫度冷卻到 120°C 時，升壓功能會自動恢復。

五、編程與寄存器配置

5.1 I2C 接口操作

芯片通過 I2C 接口進行配置，遵循 I2C 通信協議的標準操作。在通信過程中，需要注意起始條件、停止條件、地址傳輸和數據傳輸的格式。起始條件是在 SCL 為高電平時，SDA 從高電平過渡到低電平；停止條件是在 SCL 為高電平時，SDA 從低電平過渡到高電平。I2C 主設備負責生成起始和停止條件，并在數據傳輸過程中控制時鐘信號。

5.2 寄存器功能與配置方法

芯片包含多個寄存器，用于控制各種功能和設置參數。例如，通過配置亮度控制寄存器可以選擇亮度映射模式、斜坡啟用和速率等；通過配置升壓控制寄存器可以選擇開關頻率、最小電感選擇、過壓保護閾值和過流保護閾值等。在進行寄存器配置時，需要注意某些寄存器位和寄存器的編程條件，以確保芯片的正常運行。

六、應用與設計實踐

6.1 典型應用電路

LM36922H 的典型應用電路包括輸入電容、電感、肖特基二極管、輸出電容和 LED 燈串等元件。在設計電路時，需要根據具體的應用需求選擇合適的元件參數，以確保電路的性能和穩定性。

6.2 元件選擇要點

• 電感：推薦使用 4.7 - μH 到 10 - μH 的電感，選擇時要確保電感的飽和電流額定值能夠滿足應用的峰值電感電流要求。同時，根據所選電感的值，需要設置最小電感選擇位。
• 輸出電容：輸出電容需要使用陶瓷電容，最小電容值為 0.4 - μF，以確保芯片在整個工作范圍內保持穩定，避免振蕩。在選擇輸出電容時，還需要考慮電容的容值公差、溫度系數和直流偏置特性等因素。
• 輸入電容：輸入電容的主要作用是過濾開關電源電流和電感電流紋波，推薦使用 2.2 - μF 的陶瓷電容。

6.3 PCB 布局注意事項

由于芯片的開關操作會產生高電壓和大電流變化，因此 PCB 布局對于減少電磁干擾和提高電路性能至關重要。在布局時，需要注意以下幾點：

• 輸出電容布局：輸出電容應盡可能靠近肖特基二極管的陰極和芯片的 GND 引腳，以減少電感和電壓尖峰。
• 肖特基二極管布局：肖特基二極管的陽極應靠近 SW 引腳，陰極應靠近輸出電容，以降低電感和電壓尖峰。
• 電感布局：電感與 SW 引腳的連接面積應盡量小，以減少 PCB 電容耦合。同時，高阻抗節點應遠離 SW 引腳，避免受到電場耦合的影響。
• 輸入電容布局：輸入電容應靠近 IN 引腳和 GND 引腳，以減少電壓尖峰和電流紋波。

七、總結與建議

LM36922H 是一款功能強大、性能優越的雙串白光 LED 驅動芯片，具有高精度的電流控制、高轉換效率、豐富的調光和保護功能等特點。在實際應用中，工程師可以根據具體的設計需求，靈活選擇亮度控制模式、開關頻率和保護閾值等參數。同時，在元件選擇和 PCB 布局方面，需要嚴格按照設計要求進行操作，以確保芯片的性能和可靠性。如果你在使用過程中遇到問題，歡迎在評論區留言交流，讓我們一起探討如何更好地發揮這款芯片的優勢。