汽車顯示電源的理想之選：MAX20067/MAX20067B深度解析

在汽車電子領域，TFT-LCD 顯示屏的廣泛應用對顯示驅動電源提出了更高要求。MAX20067/MAX20067B 作為 Maxim Integrated 推出的汽車 3 通道顯示偏置 IC，憑借其高度集成、多功能和高性能等特點成為了眾多設計的理想之選。下面，我將深入剖析這款芯片，為電子工程師們在硬件設計開發中提供有價值的參考。

文件下載：MAX20067.pdf

功能特性概述

MAX20067/MAX20067B 專為汽車 TFT-LCD 應用打造，集成了一個電流模式升壓轉換器、兩個推挽式電荷泵驅動器、一個門控陰影推挽式電平轉換器、一個 DAC 和 VCOM 緩沖器，所有模塊既可以獨立工作，也能通過 (I^{2}C) 接口進行控制，支持 2.7V 至 5.5V 電源供電，工作溫度范圍為 -40°C 至 +105°C，采用 32 引腳 TQFN 封裝。它適用于信息娛樂顯示屏、中央信息顯示屏、儀表盤等汽車顯示場景。

靈活電源部分

• 集成升壓轉換器：輸出電壓最高可達 18V，有高功率（MAX20067）和低功率（MAX20067B）兩種選項。
• 集成電荷泵驅動器：提供 VGON（最大 +32V）和 VGOFF（最小 -24V）輸出。

低 EMI 運行

• 可編程開關頻率：支持 440kHz 或 2.2MHz 的開關頻率。
• 可編程擴頻：有效降低電磁干擾。

全面控制與診斷

• (I^{2}C) 接口：實現全面的控制功能、診斷和監測。
• 擴展診斷：可檢測 HVINP、VGON、VGOFF 的欠壓/過壓，AVDD 的過流以及溫度警告。

其他特性

• 內置門控陰影電路：由 CTL 輸入控制，可改善顯示均勻性。
• 8 位 DAC 控制的 VCOM 緩沖器：提供穩定的 VCOM 輸出。
• 高可靠性：工作溫度范圍寬，具備內部溫度關斷功能，符合 AEC-Q100 標準。
• 緊湊封裝：采用 32 引腳（5mm x 5mm）TQFN 封裝，節省 PCB 空間。

關鍵模塊詳細分析

TFT 電源部分

源極驅動器電源

源極驅動器電源由升壓轉換器提供，可產生最大 +18V 電壓，最大輸出電流可達 +200mA（MAX20067B 為 +100mA）。其調節電壓（HVINP）通過 FBP 上的電阻分壓器設置，采用恒定頻率峰值電流模式控制，內部固定斜率補償確保控制環路穩定。在低輸出功率時，轉換器進入跳周期模式以提高效率。

柵極驅動器電源

正柵極驅動器電荷泵（VGON）可產生最大 +32V 電壓，負柵極驅動器電荷泵（VGOFF）可產生最小 -24V 電壓。正電荷泵電流能力為 10mA（采用倍壓電荷泵），負電荷泵為 3mA（假設為 2 級電荷泵）。VGON 和 VGOFF 的調節電壓通過外部電阻網絡設置，兩個電荷泵均采用 440kHz 開關頻率。

電荷泵工作原理

正電荷泵

正電荷泵通常用于為 TFT-LCD 柵極驅動器 IC 生成正電源軌。輸出電壓通過外部電阻分壓器設置，中點連接到 FBGH。采用簡單的跳周期控制方案，將反饋信號（FBGH）與 1.25V 內部參考進行比較，根據比較結果控制 DRVP 周期，實現功率傳輸。

負電荷泵

負電荷泵用于生成負電源軌，輸出電壓通過外部電阻分壓器從其輸出到 REF 設置，中點連接到 FBGL。同樣采用比較反饋信號（FBGL）與內部參考電壓的方式控制 DRVN 周期，實現電荷轉移。

故障保護機制

芯片具備強大的故障和過載保護功能。當源極驅動器或柵極驅動器電源電壓低于編程調節電壓的 80%（典型值）或高于 115% 超過 60ms（典型值，默認），或者源極驅動器電源出現短路（輸出電壓低于預期調節電壓的 40% 超過 10μs）時，所有輸出將關閉并設置故障狀態。故障狀態可通過循環 ENP 引腳或 INA 電源，或在重試定時器（2.4s 典型值，默認）超時后清除。如果發生熱故障，芯片將立即關閉，直到溫度下降 15°C（典型值）。

輸出控制與時序

源極驅動器和柵極驅動器輸出（AVDD、VGON 和 VGOFF）的時序可通過 SEQ 引腳設置或通過 (I^{2}C) 接口控制。所有輸出均采用軟啟動控制以限制浪涌電流，關閉時按順序進行，升壓轉換器最后關閉。所有輸出提供有源下拉功能，便于控制放電。

門控陰影電平轉換器

當所有穩壓器軟啟動完成且 DEL 引腳超過其啟用閾值時，門控陰影電平轉換器啟用。通過 DEL 引腳電容和內部 5μA 電流源可調節啟動延遲時間。轉換器狀態由 CTL 和 MODE 輸入控制，MODE 引腳電容可用于延遲 GATES 輸出的下降時間。

VCOM 緩沖器

當 AVDD 超過其電源良好閾值時，VCOM 緩沖器啟用。其正電源為 VCOMP（通常連接到 AVDD 輸出），負電源為地。輸出電壓默認設置為 (V_{COMP}) 的一半，可通過驅動 VCINH 引腳或使用 (I^{2}C) 接口寫入內部 DAC 進行控制。輸出可提供或吸收最大 130mA 電流，使用時需連接一個 1μF 陶瓷電容到地。當 VCINH 和 VCOM 輸出引腳之間的電壓差大于 250mV 時，檢測到 VCOM 緩沖器故障，故障可通過寫入相應故障位清除。

(I^{2}C) 接口與寄存器配置

(I^{2}C) 接口概述

芯片包含 (I^{2}C) 串行接口，作為從設備工作。數據傳輸的基本單元為 8 位，通過連接 SEQ 引腳到 GND 選擇 (I^{2}C) 模式。電源上電序列可通過手動或自動兩種方式控制。

手動控制模式

在手動模式下，(I^{2}C) 主機使用調節器控制寄存器（0x02）中的位單獨啟用輸出。如果檢測到故障，故障輸出在相應的去毛刺時間后禁用，且不執行重試功能。

自動控制模式

在自動模式下，通過 autoseq_row1 - autoseq_row3 和 textd_dly1、textd_dly2 位預設序列，然后設置 autoseq_ctrl 位執行序列。如果發生故障，故障輸出關閉，其他輸出按設置順序關閉。如果啟用重試功能，將在適當延遲后嘗試重試。

寄存器配置

芯片提供了多個寄存器用于配置和狀態監測，如設備 ID 寄存器（0x00）、配置寄存器（0x01）、調節器控制寄存器（0x02）、調節器電源狀態寄存器（0x03）等。通過對這些寄存器的操作，可以實現對芯片各項功能的靈活控制和狀態監測。

應用設計指南

升壓轉換器設計

電感選擇

升壓電感的值根據公式 (L=frac{(V{INA } × D)}{(LIR × I{INA } × f{SW})}) 計算，其中 (V{INA}) 為升壓輸入電壓，D 為占空比，LIR 為電感電流紋波因數（取值范圍 0.5 至 1），(I{INA}) 為升壓轉換器輸入電流，(f{SW}) 為開關頻率（2.2MHz 或 440kHz）。占空比 D 可通過公式 (D=frac{(1 - η × V{INA })}{V{OUT }}) 計算，(I{INA}) 可通過公式 (I{INA }=frac{(v{OUT } × I{OUT })}{(n × V{INA })}) 估算，其中 (η) 為轉換器效率（假設為 0.85），(V{OUT}) 為升壓輸出電壓，(I_{OUT}) 為升壓輸出電流。

電容選擇

輸入和輸出濾波電容應選擇低 ESR 類型（如鉭電容、陶瓷電容或低 ESR 電解電容），其 RMS 電流額定值應大于相應的計算值。輸出電壓的紋波分量由 ESR 和電容值決定，可通過相應公式計算。

輸出電壓選擇

升壓轉換器的輸出電壓可通過 RTOP 和 RBOTTOM 組成的電阻分壓器進行調整。選擇 RBOTTOM 在 10kΩ 至 50kΩ 范圍內，RTOP 可通過公式 (R{TOP }=R{BOTTOM } × ((frac{V_{OUT }}{1.25}) - 1)) 計算。

電荷泵調節器設計

電荷泵級數選擇

為了獲得最高效率，應選擇滿足輸出電壓要求的最少電荷泵級數。正電荷泵級數 (n{POS}) 和負電荷泵級數 (n{NEG}) 可通過相應公式計算。

飛跨電容選擇

增加飛跨電容（連接到 DRVN 和 DRVP）的值可降低有效源阻抗并提高輸出電流能力，但電容值過大對輸出電流能力的影響不大。一般選擇 0.1μF 陶瓷電容，其電壓額定值應超過 (n × V_{HVINP})。

電荷泵輸出電容選擇

增加輸出電容或降低 ESR 可減少輸出紋波電壓和峰峰值瞬態電壓。使用公式 (C{OUT_CP }>frac{I{LOAD_CP }}{2 × f{SW} × V{RIPPLE_CP }}) 可近似計算所需的電容值。

PCB 布局注意事項

• 電源和模擬地分離：在 PCB 上分離電源地和模擬地，并在單點連接。
• 反饋電阻連接：將所有反饋電阻分壓器連接到模擬或“安靜”地，REF 和 INA 電容也應如此。反饋電阻應靠近相關引腳放置，以避免噪聲拾取。
• 去耦電容放置：去耦電容應盡可能靠近各自的引腳放置。
• 高電流路徑設計：保持高電流路徑短而寬，以降低電阻和電感。
• 高速開關節點布線：將高速開關節點（如 LXP、DRVN 和 DRVP）遠離敏感模擬節點（如 FBP、FBGH、FBGL 和 REF）布線。

總結

MAX20067/MAX20067B 以其高度集成的特性、豐富的功能和可靠的性能，為汽車 TFT-LCD 顯示應用提供了一站式解決方案。電子工程師在設計過程中，通過合理選擇外部元件、優化 PCB 布局和靈活配置寄存器，可以充分發揮該芯片的優勢，實現高性能、高可靠性的汽車顯示電源設計。大家在實際應用中是否遇到過類似芯片的使用難題呢？歡迎在評論區分享交流。