TI LM3631：優化移動設備LCD電源與背光方案

在如今的電子設備市場中，移動設備的顯示屏性能愈發重要，而LCD的電源管理和背光控制則是影響其表現的關鍵因素。德州儀器（TI）的LM3631正是一款專為移動設備LCD設計的高度集成解決方案，能夠滿足高清LCD的復雜電源需求。下面就詳細探討一下這款芯片的設計特點、應用及相關注意事項。

文件下載：lm3631.pdf

一、LM3631的核心特性

LM3631具備一系列強大的特性，使其在移動設備LCD電源管理領域表現出色：

1. 背光驅動能力

它可以驅動多達兩個LED串，每個串最多可連接8個LED，最大輸出電流為25 mA。集成的背光升壓轉換器最大輸出電壓可達29 V，背光效率最高能達到90%，能為LCD提供充足且高效的背光支持。

2. 多模式調光功能

支持11位線性或指數調光，輸出分辨率最高可達17位，還可通過外部PWM輸入實現CABC（內容自適應背光控制）操作，為不同的顯示內容和場景提供靈活的調光方案。

3. LCD偏置電源

LCD偏置效率大于85%，可提供可編程的正偏置電壓（4 - 6 V，最大輸出電流100 mA）和負偏置電壓（-4 - -6 V，最大輸出電流80 mA）。此外，還有兩個可編程的LDO參考輸出，分別為4 - 6 V（最大輸出電流50 mA）和1.8 - 3.3 V（最大輸出電流80 mA），滿足LCD不同部分的供電需求。

4. 寬輸入電壓范圍

該芯片的輸入電壓范圍為2.7 - 5 V，可適配多種電源，增加了應用的靈活性。

二、功能與結構解析

1. 總體架構

LM3631是一款單芯片解決方案，集成了高效的背光LED驅動器和正負偏置電源，以滿足高清LCD的功率要求。其集成度高，體積小，卻能保持高性能，非常適合中小尺寸的顯示屏。另外，兩個額外的可編程LDO穩壓器輸出可用于為顯示控制器、LCD伽馬參考或其他外設供電。

2. 功能模塊剖析

背光模塊

• 使能條件：通過設置 (BL_EN =1) 且亮度值大于零來啟用背光。不過，LCD偏置電源軌需要先達到目標電壓，背光才能啟動。
• 亮度控制：可以通過 (I^{2}C) 亮度寄存器、外部PWM控制或兩者結合來實現。不同的BRT_MODE位選擇不同的亮度控制模式，如I2C寄存器控制、PWM輸入占空比控制等。同時，還支持線性和指數兩種映射方式來控制LED電流。
• 斜率調節：Sloper可平滑亮度值的過渡，斜率時間可通過SLOPE[3:0]位在0 - 4000 ms之間調整。高級斜率功能能讓亮度變化對人眼來說更加平滑，還可通過DITHER_FREQ_SEL[3:0]位編程抖動頻率，進一步優化斜率效果。

  背光升壓轉換器

• 驅動能力：采用異步背光升壓轉換器，為兩個LED串提供所需的高電壓。自適應電壓控制環路可根據LED驅動器上的電壓自動調整輸出電壓。
• 頻率選擇：有500 kHz和1 MHz兩種開關頻率模式，可通過Boost Frequency Select位設置。低頻模式在輕載時效率更高，高頻模式在重載時效率更佳。還具備自動頻率選擇模式，根據編程的LED電流自動切換頻率。
• 保護機制：具備過壓保護（OVP）和過流保護（OCP）功能。OVP可監測LED升壓輸出電壓，防止超過安全工作電壓；OCP有4種可選閾值，可在檢測到過流時及時關閉NFET。

  LCD偏置模塊

• 電源供應：由一個高效的升壓轉換器提供正電壓軌 (V{BST_OUT})，為LCD的 (V{POS})、(V{NEG}) 偏置以及 (V{OREF}) 輸出供電。
• 電壓調節：(V{POS}) 輸出LDO的可編程范圍為4 - 6 V，步長為50 mV，最大輸出電流100 mA；(V{NEG}) 輸出通過調節反相電荷泵實現，范圍為 -6 - -4 V，步長50 mV，最大負載80 mA；(V_{OREF}) 輸出LDO的可編程范圍為4 - 6 V，步長50 mV，最大輸出電流50 mA。
• 電源排序：支持對 (V{POS})、(V{NEG})、(V{CONT}) 和 (V{OREF}) 的輸出上電和斷電時序進行配置，確保系統的穩定運行。

  其他功能模塊

• 顯示控制器電源：支持額外的穩壓輸出 (V{LDO_CONT})，可提供1.8 V、2.3 V、2.8 V和3.3 V四種可編程電壓，最大輸出電流80 mA，直接由 (V{IN}) 供電。
• 重置與標志引腳：(I^{2}C) 寄存器0x14可將所有 (I^{2}C) 寄存器值重置為默認值；FLAG引腳可作為故障或電源良好狀態的指示器，其狀態可通過I2C編程設置。
• 熱關斷與欠壓鎖定：當芯片溫度達到或超過140°C時，熱關斷保護功能會關閉背光和所有偏置電壓輸出，進入待機模式；當溫度低于120°C時，可恢復工作。欠壓鎖定功能可在輸入電壓低于閾值時設置UVLO故障，當電壓恢復正常時，可通過I2C清除該故障。

三、應用與設計要點

1. 典型應用場景

LM3631主要應用于移動設備的LCD背光和偏置供電，能夠驅動一到兩個LED串，每串包含4 - 8個白色LED。其輸出電壓可用于為顯示控制器、LCD伽馬參考或其他外設供電，且LCD偏置電壓可在不啟用背光的情況下單獨使用。

2. 設計具體步驟

外部組件選擇

• 電感：兩個升壓轉換器的電感選擇需要特別注意。LCD偏置升壓轉換器的補償參數固定，適用于1.5 -μH電感；背光升壓轉換器可通過INDUCTOR位選擇10 -μH或22 -μH電感，電感的有效電感值應控制在±20%以內。同時，要確保電感的飽和電流大于最大負載電流和最壞情況下的平均到峰值電感電流之和。
• 電容：不同模塊的輸出電容選擇也有講究。背光升壓轉換器輸出推薦使用兩個2.2 -μF電容，也可使用單個2.2 -μF電容以減小體積，但有效輸出電容需大于1 μF；LCD - 偏置 - 升壓輸出推薦使用兩個10 -μF電容。所有電容都建議使用高質量的陶瓷類型X5R或X7R，且電壓額定值要大于實際使用的最大輸出電壓。此外，還需考慮電容的DC偏置效應。
• 二極管：背光升壓二極管應選用肖特基二極管，其峰值重復電流應大于電感峰值電流，平均電流額定值應大于最大輸出電流，反向擊穿電壓應顯著大于最大輸出電壓。
• 電荷泵電容：飛跨電容和輸出電容的電壓額定值應高于最大輸出電壓，推薦使用10 -V電壓額定值和10 μF的陶瓷X5R/X7R電容。
• LDO輸出電容：LDO輸出電容的電壓額定值要高于最大輸出電壓，同樣推薦使用10 -V電壓額定值和10 -μF的陶瓷X5R/X7R電容。

  布局設計

• 電容放置：將升壓轉換器的輸出電容盡可能靠近輸出電壓和GND引腳，LDO的輸出電容也應靠近輸出引腳，電荷泵的飛跨電容和輸出電容要靠近相應引腳。
• 減少環路：盡量將輸入電容和電感靠近GND和開關引腳，以最小化升壓轉換器的開關環路。如果可能，將開關環路僅布置在頂層，減少開關節點上的銅面積，同時保證足夠的布線寬度，以降低開關引腳的寄生電容。
• 信號布線：VIN輸入電壓引腳需通過低ESR旁路電容接地，且電容應盡可能靠近VIN引腳。將內部引腳布線在第二層，使用偏移微過孔從頂層連接到中間層，避免信號跡線直接布置在升壓轉換器的開關環路下方。

四、結語

TI的LM3631為移動設備LCD的電源管理和背光控制提供了一個全面且高效的解決方案。其高度集成的設計、豐富的功能特性和靈活的編程能力，使得開發者能夠輕松應對各種復雜的應用需求。在實際設計過程中，合理選擇外部組件和優化布局設計是確保芯片性能充分發揮的關鍵。希望各位工程師在使用LM3631時能夠充分利用其優勢，打造出更加出色的移動設備顯示方案。大家在實際應用中遇到過哪些問題呢？又是如何解決的呢？歡迎在評論區分享交流。