MAX17010：集成高壓電平轉(zhuǎn)換器和運(yùn)算放大器的內(nèi)部開關(guān)升壓調(diào)節(jié)器

在電子設(shè)備的設(shè)計(jì)中，電源管理和信號處理是至關(guān)重要的環(huán)節(jié)。今天，我們來深入了解一款專為薄膜晶體管（TFT）液晶顯示器（LCD）應(yīng)用優(yōu)化的芯片——MAX17010。

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1. 概述

MAX17010 集成了高性能升壓開關(guān)調(diào)節(jié)器、高速運(yùn)算放大器（op amp）和高壓電平轉(zhuǎn)換掃描驅(qū)動器。這種集成設(shè)計(jì)為 TFT LCD 應(yīng)用提供了一站式解決方案，減少了外部組件的數(shù)量，提高了系統(tǒng)的可靠性和性能。

1.1 主要特性

• 寬輸入電壓范圍：1.8V 至 5.5V 的輸入電壓范圍，適應(yīng)多種電源環(huán)境。
• 低靜態(tài)電流：僅 3mA 的靜態(tài)電流（開關(guān)模式），有助于降低功耗。
• 高效升壓調(diào)節(jié)器：1.2MHz 電流模式升壓調(diào)節(jié)器，具有快速瞬態(tài)響應(yīng)和高達(dá) 85%以上的效率。
• 高速運(yùn)算放大器：±150mA 輸出電流、45V/μs 壓擺率和 20MHz 帶寬，可有效驅(qū)動 LCD 背板（VCOM）。
• 高壓電平轉(zhuǎn)換掃描驅(qū)動器：八個輸出可在 +30V（最大）至 -10V 之間擺動，能快速驅(qū)動容性負(fù)載。
• 熱過載保護(hù)：確保芯片在高溫環(huán)境下的安全運(yùn)行。
• 小型封裝：40 引腳、5mm x 5mm 薄型 QFN 封裝，適用于超薄 LCD 面板。

2. 應(yīng)用領(lǐng)域

MAX17010 主要應(yīng)用于筆記本電腦顯示器和 LCD 監(jiān)視器面板等設(shè)備，為這些設(shè)備的顯示模塊提供穩(wěn)定的電源和信號處理功能。

3. 電氣特性

3.1 絕對最大額定值

芯片的各個引腳都有其特定的電壓和電流限制，如 IN、SHDN 到 GND 的電壓范圍為 -0.3V 至 +7.5V 等。在設(shè)計(jì)電路時，必須嚴(yán)格遵守這些額定值，以避免芯片損壞。

3.2 電氣參數(shù)

• 輸入電壓范圍：IN 引腳的輸入電壓范圍為 1.8V 至 5.5V。
• 靜態(tài)電流：在不同條件下，IN 引腳的靜態(tài)電流有所不同，例如在 VIN = 3V、VFB = 1.5V 且不切換時，典型值為 0.05mA，最大值為 0.10mA。
• 欠壓鎖定：IN 引腳的欠壓鎖定閾值為 1.30V 至 1.75V，具有 100mV 的典型遲滯。
• 熱關(guān)斷：當(dāng)芯片溫度上升到 160°C 時，會觸發(fā)熱關(guān)斷功能，具有 15°C 的遲滯。

4. 典型應(yīng)用電路

MAX17010 的典型應(yīng)用電路可生成 +8.5V 源驅(qū)動器電源以及約 +22V 和 -7V 柵極驅(qū)動器電源，適用于 TFT 顯示器。電路的輸入電壓范圍為 +1.8V 至 +5.5V，推薦的組件包括特定規(guī)格的電容、電感和二極管等。

4.1 組件選擇

• 電感選擇：電感的選擇需要考慮最小電感值、峰值電流額定值和串聯(lián)電阻等因素。通過計(jì)算和實(shí)際評估，選擇合適的電感值，以平衡電路效率、電感尺寸和成本。例如，在典型應(yīng)用中，選擇 3.6μH 的電感。
• 輸出電容選擇：輸出電容的選擇需要考慮電容的紋波電壓和等效串聯(lián)電阻（ESR）。對于陶瓷電容，輸出電壓紋波通常由電容紋波主導(dǎo)。
• 輸入電容選擇：輸入電容用于減少從輸入電源汲取的電流峰值和降低噪聲注入。在典型應(yīng)用電路中，使用 10μF 的陶瓷電容，但在實(shí)際應(yīng)用中，可根據(jù)具體情況調(diào)整電容值。
• 整流二極管選擇：由于 MAX17010 的高開關(guān)頻率，推薦使用肖特基二極管作為整流二極管，以確保快速恢復(fù)時間和低正向電壓。

4.2 輸出電壓調(diào)整

通過連接一個電阻分壓器從輸出（VMAIN）到 AGND，并將中心抽頭連接到 FB 引腳，可以調(diào)整主升壓調(diào)節(jié)器的輸出電壓。選擇合適的電阻值，以滿足所需的輸出電壓。

4.3 環(huán)路補(bǔ)償

選擇合適的 RCOMP 和 CCOMP 來設(shè)置高頻積分器增益和積分器零點(diǎn)，以確保環(huán)路穩(wěn)定性和良好的瞬態(tài)響應(yīng)。可以通過調(diào)整 RCOMP 和 CCOMP 的值來進(jìn)一步優(yōu)化瞬態(tài)響應(yīng)。

5. 詳細(xì)工作原理

5.1 升壓調(diào)節(jié)器

升壓調(diào)節(jié)器采用電流模式、固定頻率 PWM 架構(gòu)，通過調(diào)制內(nèi)部功率 MOSFET 的占空比來控制輸出電壓和功率。誤差放大器將 FB 引腳的信號與 1.235V 進(jìn)行比較，并調(diào)整 COMP 輸出，從而確定內(nèi)部 MOSFET 每次導(dǎo)通時的電流跳閘點(diǎn)。

5.2 欠壓鎖定（UVLO）

UVLO 電路用于確保輸入電壓足夠高，以保證可靠運(yùn)行。當(dāng)輸入電壓超過 UVLO 上升閾值時，啟動開始；當(dāng)輸入電壓低于 UVLO 下降閾值時，控制器關(guān)閉主升壓調(diào)節(jié)器和線性調(diào)節(jié)器輸出，禁用開關(guān)控制塊，運(yùn)算放大器輸出為高阻抗。

5.3 線性調(diào)節(jié)器（VL）

MAX17010 內(nèi)部集成了一個 4V 線性調(diào)節(jié)器，SUP 為其輸入，輸入電壓范圍為 5V 至 18V，輸出電壓典型值為 4V。該調(diào)節(jié)器為內(nèi)部電路供電，通過將 SUP 直接連接到升壓調(diào)節(jié)器的輸出，可以提高低輸入電壓下的效率。

5.4 自舉和軟啟動

芯片具有自舉操作功能，在正常運(yùn)行時，內(nèi)部線性調(diào)節(jié)器為內(nèi)部電路供電。當(dāng) SUP 輸入電壓高于 1.4V 且故障鎖存未設(shè)置時，芯片啟用。啟用后，調(diào)節(jié)器開始開環(huán)切換，生成線性調(diào)節(jié)器的電源電壓。當(dāng) VL 電壓超過 2.7V（典型值）時，內(nèi)部參考塊開啟，PWM 控制器和電流限制電路啟用，升壓調(diào)節(jié)器進(jìn)入軟啟動階段。軟啟動過程中，主升壓調(diào)節(jié)器直接限制電感峰值電流，在 128 個相等的電流步驟內(nèi)從零增加到全電流限制值，以最小化浪涌電流和電壓過沖。

5.5 故障保護(hù)

在穩(wěn)態(tài)運(yùn)行期間，MAX17010 監(jiān)測 FB 電壓。如果 FB 電壓未超過 1V（典型值），則激活內(nèi)部故障定時器。如果故障持續(xù)時間超過定時器設(shè)定值，芯片將設(shè)置故障鎖存，關(guān)閉除 VL 以外的所有輸出。此外，芯片還監(jiān)測 SUP 電壓的欠壓和過壓情況，當(dāng) SUP 電壓低于 1.4V（典型值）或高于 19V（典型值）時，禁用升壓調(diào)節(jié)器的柵極驅(qū)動器，防止內(nèi)部 MOSFET 切換，但不會設(shè)置故障鎖存。

5.6 運(yùn)算放大器

運(yùn)算放大器通常用于驅(qū)動 LCD 背板（VCOM）和/或伽馬校正分壓器串。它具有 ±150mA 輸出短路電流、45V/μs 壓擺率和 12MHz 帶寬。當(dāng)輸出直接短路到 SUP 或 AGND 時，運(yùn)算放大器會將短路電流限制在約 ±150mA。如果短路情況持續(xù)，芯片的結(jié)溫會上升，直到達(dá)到熱關(guān)斷閾值（典型值為 +160°C），此時內(nèi)部熱傳感器將設(shè)置熱故障鎖存，關(guān)閉除 VL 以外的所有輸出。

5.7 高壓電平轉(zhuǎn)換掃描驅(qū)動器

MAX17010 包含八個邏輯電平到高壓電平轉(zhuǎn)換緩沖器，可將八個邏輯輸入（A1 - A8）緩沖并轉(zhuǎn)換到所需的電平（Y1 - Y8），以驅(qū)動 TFT - LCD 行邏輯。驅(qū)動器輸出根據(jù)輸入邏輯電平在其電源軌之間擺動，當(dāng)輸入為邏輯低時，輸出為 GOFF；當(dāng)輸入為邏輯高時，輸出為 GON_。這些驅(qū)動器通道分為不同的高電平電源組，A1 - A6 由 GON1 供電，A7 和 A8 由 GON2 供電。

5.8 熱過載保護(hù)

熱過載保護(hù)功能可防止芯片因過度功耗而過熱。當(dāng)結(jié)溫超過 +160°C 時，熱傳感器立即激活故障保護(hù)，關(guān)閉除 VL 以外的所有輸出，使芯片冷卻。當(dāng)芯片冷卻約 15°C 后，通過將輸入電壓循環(huán)至 UVLO 下降閾值以下來清除故障鎖存并重新激活芯片。

6. PCB 布局和接地

PCB 布局對于芯片的正常運(yùn)行至關(guān)重要。以下是一些 PCB 布局的指導(dǎo)原則：

• 最小化高電流環(huán)路的面積，將電感、輸出二極管和輸出電容靠近輸入電容以及 LX 和 PGND 引腳放置。
• 創(chuàng)建獨(dú)立的功率地島（PGND）和模擬地平面（AGND），并通過將 PGND 引腳直接連接到芯片的背面焊盤來連接這兩個地島。
• 將反饋電壓分壓器電阻盡可能靠近反饋引腳放置，避免反饋?zhàn)呔€靠近 LX 或電荷泵中的開關(guān)節(jié)點(diǎn)。
• 將 IN 引腳和 VL 引腳的旁路電容盡可能靠近芯片放置，并將其接地連接直接連接到 AGND 引腳或芯片的背面焊盤。
• 最小化輸出電容和負(fù)載之間的走線長度，并最大化走線寬度，以獲得最佳的瞬態(tài)響應(yīng)。
• 最小化 LX 節(jié)點(diǎn)的尺寸，保持其寬度和長度，并將其與反饋節(jié)點(diǎn)和模擬地保持距離。

7. 總結(jié)

MAX17010 是一款功能強(qiáng)大的芯片，為 TFT LCD 應(yīng)用提供了集成的電源管理和信號處理解決方案。通過合理選擇組件、優(yōu)化電路設(shè)計(jì)和 PCB 布局，可以充分發(fā)揮芯片的性能，實(shí)現(xiàn)高效、穩(wěn)定的系統(tǒng)設(shè)計(jì)。你在使用類似芯片時，是否也遇到過一些挑戰(zhàn)呢？歡迎在評論區(qū)分享你的經(jīng)驗(yàn)和見解。