MAX8740：高性能TFT - LCD升壓DC - DC轉換器的設計與應用

在電子設備中，TFT - LCD顯示屏的廣泛應用對電源管理提出了更高的要求。MAX8740作為一款高性能的升壓DC - DC轉換器，為TFT - LCD提供了穩定且高效的電源解決方案。下面我們就來深入了解一下MAX8740的特點、設計要點以及應用注意事項。

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一、產品概述

MAX8740是一款專門為有源矩陣薄膜晶體管（TFT）液晶顯示器（LCD）提供穩壓電源的高性能升壓DC - DC轉換器。它采用電流模式、固定頻率的脈沖寬度調制（PWM）電路，并內置n溝道功率MOSFET，實現了高達90%的效率和快速的瞬態響應。用戶可以通過邏輯輸入引腳（FREQ）選擇640kHz或1.2MHz的工作頻率，高開關頻率允許使用超小型電感器和低ESR陶瓷電容器。

主要特性

1. 高效轉換：效率可達90%，有效降低功耗。
2. 寬輸入電壓范圍：支持2.6V至5.5V的輸入電源，適應多種供電場景。
3. 可調輸出電壓：輸出電壓可在VIN至28V之間調節，滿足不同TFT - LCD的需求。
4. 輸入欠壓鎖定：防止在輸入電壓過低時設備異常工作。
5. 可編程軟啟動：通過外部電容實現軟啟動，減少浪涌電流。
6. 低關斷電流：關斷電流僅0.1μA，降低待機功耗。
7. 小封裝：采用10引腳薄型DFN封裝，節省電路板空間。

二、電氣特性分析

1. 輸入輸出電壓范圍

輸入電壓范圍根據輸出電壓不同有所變化，當VOUT < 18V時，輸入電壓范圍為2.6V至5.5V；當18V < VOUT < 24V時，輸入電壓范圍為4.0V至5.5V，輸出電壓范圍最大可達28V。

2. 靜態電流與關斷電流

在不同條件下，靜態電流有所不同。例如，VFB = 1.3V且不開關時，典型靜態電流為0.22mA；VFB = 1.0V且開關、FREQ = GND時，靜態電流在2 - 5mA之間。關斷電流在SHDN = GND時，最大為10μA。

3. 誤差放大器與振蕩器

誤差放大器的FB調節電壓標稱值為1.24V，輸入偏置電流在50 - 250nA之間。振蕩器頻率可通過FREQ引腳選擇，FREQ = GND時為640kHz（540 - 740kHz），FREQ = IN時為1.2MHz（1000 - 1500kHz），最大占空比為88 - 94%。

4. n溝道MOSFET特性

電流限制在VFB = 1V、71%占空比時為3.9 - 5.3A，導通電阻在不同輸入電壓下有所不同，VIN = 3V時典型值為0.11Ω，VIN = 5V時典型值為0.095Ω，漏電流在VLX = 28V時最大為55μA。

三、設計要點

1. 電感選擇

電感的選擇對于轉換器的性能至關重要。需要考慮最小電感值、峰值電流額定值和串聯電阻等因素，這些因素會影響轉換器的效率、最大輸出負載能力、瞬態響應時間和輸出電壓紋波。一般來說，電感的峰值 - 峰值紋波電流與滿載電流下的平均直流電感電流之比（LIR）在0.3 - 0.5之間時，能在電感尺寸和電路效率之間取得較好的平衡。但根據電感磁芯材料的交流特性以及電感電阻與其他功率路徑電阻的比例，最佳LIR值可能會有所偏移。 計算電感值的公式為： [L=left(frac{V{I N}}{V{OUT }}right)^{2}left(frac{V{OUT }-V{IN }}{I{OUT(MAX) } × f{OSC }}right)left(frac{eta_{TYP }}{LIR}right)] 同時，要確保電感的飽和電流額定值和MAX8740的LX電流限制（ILIM）超過峰值電流IPEAK，電感的直流電流額定值超過最大直流輸入電流IIN(DC,MAX)，并且選擇串聯電阻小于0.1Ω的電感以提高效率。

2. 輸出電容選擇

輸出電壓紋波由電容紋波和歐姆紋波組成，電容紋波與輸出電容的充放電有關，歐姆紋波與電容的等效串聯電阻（ESR）有關。對于陶瓷電容，輸出電壓紋波通常由電容紋波VRIPPLE(C)主導。在選擇輸出電容時，需要考慮電壓額定值和溫度特性。 電容紋波計算公式為： [V{RIPPLE(C)} approx frac{I{OUT }}{C{OUT }}left(frac{V{OUT }-V{IN }}{V{OUT } f{OSC }}right)] 歐姆紋波計算公式為： [V{RIPPLE(ESR) } approx IPEAK R_{ESR(COUT) }]

3. 輸入電容選擇

輸入電容（CIN）的作用是減少從輸入電源汲取的電流峰值，并減少向IC注入的噪聲。在典型操作電路中使用10μF陶瓷電容，但實際應用中，由于升壓調節器通常直接從另一個穩壓電源的輸出運行，源阻抗較低，CIN的值可以適當減小。也可以使用RC低通濾波器將IN與CIN解耦，以確保IN處的低噪聲電源。

4. 整流二極管選擇

由于MAX8740的高開關頻率，需要使用高速整流二極管。肖特基二極管因其快速恢復時間和低正向電壓而被推薦用于大多數應用。二極管的額定值應能處理輸出電壓和峰值開關電流，其峰值電流額定值至少要達到電感選擇部分計算出的IPEAK，擊穿電壓要超過輸出電壓。

5. 輸出電壓選擇

MAX8740的輸出電壓可在VIN至28V之間調節。通過連接一個從輸出（VOUT）到GND的電阻分壓器，將中心抽頭連接到FB引腳來設置輸出電壓。選擇R2在10kΩ至50kΩ范圍內，R1的計算公式為： [R 1=R 2 timesleft(frac{V{OUT }}{V{FB}}-1right)] 其中VFB為升壓調節器的反饋設定點，典型值為1.28V。

6. 環路補償

為了防止因不穩定導致的輸出紋波過大和效率低下，電壓反饋環路需要進行適當的補償。通過從COMP引腳到GND串聯一個電阻（RCOMP）和電容（CCOMP），并從COMP引腳到GND連接另一個電容（CCOMP2）來實現。 RCOMP用于設置高頻積分器增益以實現快速瞬態響應，CCOMP用于設置積分器零點以保持環路穩定，CCOMP2用于抵消輸出電容ESR引入的零點。對于陶瓷輸出電容，由于ESR較小，CCOMP2可以是可選的。 計算公式如下： [R{COMP } approx frac{315 × V{IN} × V{OUT } × C{OUT }}{L × I{OUT(MAX) }}] [C{COMP } approx frac{V{OUT } × C{OUT }}{10 × I{OUT(MAX) } × R{COMP }}] [C{COMP 2} approx frac{0.0036 × R{ESR} × L × I{OUT(MAX) }}{V{IN } × V_{OUT }}]

7. 軟啟動電容

軟啟動電容應足夠大，以確保在輸出達到穩定之前不會達到最終值。計算CSS的公式為： [frac{V{S S}>21 × 10^{-6} × C{OUT } × }{V{IN } × INRUSH -I{OUT } × V{OUT }}{V{IN } × INRUSH -I{OUT } × V{OUT }}] 負載需要等待軟啟動周期結束后才能開始吸取大量負載電流，負載可以開始吸取最大負載電流的時間為： [tMAX =6.77 × 10^{5} × C_{SS}]

四、PCB布局與接地

1. 高電流環路

盡量減小高電流環路的面積，將電感器、整流二極管和輸出電容靠近輸入電容以及LX和GND引腳放置。高電流輸入環路從輸入電容的正端到電感器，再到IC的LX引腳，從GND引腳流出，最后回到輸入電容的負端；高電流輸出環路從輸入電容的正端到電感器，到整流二極管，再到輸出電容的正端，在輸出電容和輸入電容的接地端之間重新連接。使用短而寬的連接，避免在高電流路徑中使用過孔，如果無法避免，應使用多個過孔并聯以降低電阻和電感。

2. 接地平面

創建一個由輸入和輸出電容接地端以及GND引腳組成的電源接地島（PGND），用短而寬的走線或小接地平面將它們連接在一起，以提高效率并減少輸出電壓紋波和噪聲尖峰。創建一個由反饋分壓器接地連接、COMP和SS電容接地連接以及設備的外露背面焊盤組成的模擬接地平面（AGND），將AGND和PGND島通過將GND引腳直接連接到外露背面焊盤來連接，避免在這兩個單獨的接地平面之間進行其他連接。

3. 反饋電阻

將反饋電壓分壓器電阻盡可能靠近FB引腳放置，分壓器的中心走線應保持短。避免將反饋走線靠近LX，以免拾取開關噪聲。

4. 輸入旁路電容

將IN引腳旁路電容盡可能靠近設備放置，IN旁路電容的接地連接應通過寬走線直接連接到GND引腳。

5. 輸出電容與負載連接

盡量減小輸出電容與負載之間走線的長度并增加其寬度，以獲得最佳的瞬態響應。

6. LX節點

盡量減小LX節點的尺寸，同時保持其寬度和長度較短。使LX節點遠離反饋節點和模擬接地，如果必要，可以使用直流走線作為屏蔽。

五、應用場景

MAX8740適用于筆記本電腦顯示器和LCD監視器面板等TFT - LCD應用。在實際設計中，所有設計都應在生產前進行原型制作和測試，以確保滿足性能要求。

總之，MAX8740為TFT - LCD電源設計提供了一個高效、靈活的解決方案。在設計過程中，工程師需要根據具體的應用需求，合理選擇外部組件，并注意PCB布局和接地，以充分發揮MAX8740的性能優勢。你在使用MAX8740進行設計時遇到過哪些問題呢？歡迎在評論區分享你的經驗和見解。