MAX1620/MAX1621：數字化可調LCD偏置電源的設計與應用

一、引言

在電子設備中，LCD顯示屏的穩定驅動至關重要。MAX1620/MAX1621作為數字化可調LCD偏置電源，能將1.8V至20V的電池電壓轉換為正或負的LCD背板偏置電壓，為LCD的正常工作提供了有力保障。本文將詳細介紹MAX1620/MAX1621的特性、工作原理、設計過程及應用要點。

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二、產品概述

2.1 功能特點

MAX1620/MAX1621可將1.8V - 20V的電池電壓轉換為正或負的LCD背板偏置電壓，當顯示邏輯電壓移除時，背板偏置電壓可自動禁用，保護顯示屏。它們采用超小的QSOP封裝，占用極少的PCB板面積，僅需小型、低剖面的外部組件。

2.2 輸出電壓調節

輸出電壓可通過外部電阻設置為所需的正或負電壓范圍，并可通過板載數模轉換器（DAC）或電位器在該范圍內進行調節。其中，MAX1620/MAX1621包含一個5位DAC，允許通過數字軟件控制偏置電壓。MAX1620使用上下數字信號調節DAC，而MAX1621則使用系統管理總線（SMBus?）2線串行接口。

2.3 應用領域

適用于筆記本電腦、掌上電腦、個人數字助理、便攜式數據采集終端等設備。

三、工作原理

3.1 工作模式

MAX1620/MAX1621工作在不連續傳導模式（每個開關周期結束時電感電流降至零），具有恒定的峰值電流，無需電流檢測電阻。開關導通時間與輸入電壓VBATT成反比，由微秒 - 伏特常數（k因子）決定，典型值為20μs - V。

3.2 輸出電流計算

對于理想的升壓轉換器，輸出電流與輸入電壓和峰值電感電流成正比，計算公式為： [I{OUT}=frac{1}{2} times k{factor} times V{BATT} / V{OUT}] 峰值電感電流IPK與導通時間tON成正比，tON由k因子決定： [I{PK} = k{factor} / L]

3.3 不連續傳導檢測

通過監測LX節點電壓來檢測不連續傳導。當電感能量完全釋放后，LX節點電壓跳回到BATT電壓。當檢測到該交叉點時，如果輸出仍未達到調節狀態，則發出另一個脈沖。

四、輸出電壓選擇與控制

4.1 正輸出電壓

將極性引腳（POL）連接到VDD，采用典型的升壓拓撲。FB調節電壓為1.5V，為確保最佳穩定性，VOUT應大于1.1（VBATT）。

4.2 負輸出電壓

將POL連接到GND。內部誤差放大器的輸出反轉以提供正確的反饋極性，FB調節電壓為0V。D1、D2、C4和C5組成反相電荷泵以產生負電壓。負輸出電路有兩種連接方式，標準連接下D1的陰極連接到BATT，輸出紋波性能最佳，但|VOUT|必須限制在不超過27V - 1.1（VBATT）；若需要更大的負電壓，可采用替代連接，將D1的陰極連接到地，最大負輸出可達 - 27V，但需滿足|VOUT| > 1.1VBATT。

4.3 輸出電壓控制

輸出電壓通過連接到反饋引腳（FB）的分壓器設置。對于正輸出，分壓器參考GND；對于負輸出，分壓器參考REF。輸出電壓可通過內部DAC將電流求和到FB來調節，5位DAC由用戶可編程的上下計數器控制。

4.3.1 MAX1620控制方式

通過UP和DN引腳控制DAC計數器。UP引腳的上升沿通過遞減計數器并將DAC輸出電壓降低一步來增加|VOUT|；DN引腳的上升沿通過遞增計數器并將DAC輸出電壓增加一步來降低|VOUT|。同時將UP和DN置高可將計數器重置為半量程。

4.3.2 MAX1621控制方式

通過SMBus接口控制計數器到DAC。計數器被視為一個5位寄存器，上電時重置。只要VDD大于欠壓鎖定閾值，DAC中的設置就保證有效。

五、設計過程與組件選擇

5.1 輸出調整

5.1.1 設置最小輸出電壓

使用電阻分壓器（R4 - R5）從VOUT到AGND設置最小輸出電壓。FB閾值電壓為1.5V，選擇R4為300kΩ，使分壓器中的電流約為5μA。對于正輸出，R5的計算公式為： [R5 = R4 times (V{OUT,MIN} - V{FB}) / V{FB}] 對于負輸出，R5的計算公式為： [R5 = R4 times |V{OUT,MIN} / V_{REF}|]

5.1.2 設置最大輸出電壓（DAC調節）

DAC可在0V至1.5V之間以32步進行調節，1LSB = 1.5V / 31。通過在分壓器電路中添加R3來進行VOUT的DAC調節。確保VOUT,MAX不超過LCD面板的額定值。R3的計算公式為： [R3 = R5 times (V{FB}) / (V{OUT,MAX} - V_{OUT,MIN})]

5.2 電位器調節

輸出也可通過電位器而不是DAC進行調節。選擇RPOT = 100kΩ，將其連接在REF和GND之間，將R3連接到電位器的抽頭。

5.3 控制LCD

當POK處的電壓大于1V時，開漏LCDON輸出拉低。LCDON可承受27V，因此可驅動PFET或PNP晶體管來切換MAX1620/MAX1621的正輸出。使用POK和LCDON控制LCD有三種情況：

1. 作為關斷開關，確保關機期間正升壓輸出降至0V。
2. 作為正輸出的輸出感應截止。
3. 作為正輸出的輸入感應輸出截止。

5.4 組件選擇

5.4.1 電感器選擇

實際電感值范圍為33μH至1mH，100μH適用于廣泛的應用。建議使用具有鐵氧體磁芯或等效材料的電感器，其電流額定值應超過由k因子和線圈電感設置的峰值電流。

5.4.2 二極管選擇

由于最大開關頻率高達300kHz，需要高速整流器，建議使用肖特基二極管，如MBRS0540。其平均電流額定值必須大于峰值開關電流，反向擊穿電壓應大于正輸出電壓或負輸出電壓加上VBATT。

5.4.3 外部開關晶體管

為保持效率，需要高速開關晶體管，建議使用邏輯電平N溝道MOSFET，如MMFT3055VL。其VDS額定值應大于正輸出電壓或負輸出電壓加上VBATT。在某些應用中，為節省成本，可使用雙極晶體管代替MOSFET，但會降低效率。

5.4.4 輸出濾波電容

對于大多數應用，22μF、35V、低ESR的表面貼裝鉭輸出電容就足夠了。輸出紋波電壓主要由峰值開關電流乘以輸出電容的有效串聯電阻（ESR）決定，100mVp - p的輸出紋波是成本和性能之間的良好折衷。

5.4.5 輸入旁路電容

VDD和VBATT需要旁路電容。VDD使用0.1μF陶瓷電容盡可能靠近IC進行旁路。電池為電感器提供高電流，需要在電感器附近進行局部大容量旁路，大多數應用使用22μF低ESR表面貼裝電容即可。

5.4.6 電荷泵電容（負輸出）

對于負輸出配置，C4應具有低ESR，且應小于輸出電容（C5），其電壓額定值應與C5相同。對于圖6的電路，建議使用2.2μF電容。

5.4.7 反饋補償電容

由于反饋電阻（R3、R4、R5）的值較高，反饋環路容易受到FB引腳處寄生電容的相位滯后影響。為補償這一點，在R5上并聯一個電容（C6），其值取決于R3、R4、R5的并聯組合和單個電路布局，典型值范圍為33pF至220pF。

5.4.8 參考補償電容

內部參考使用外部電容進行頻率補償，在REF和地之間連接一個最小0.1μF的陶瓷電容。

六、PCB布局與接地

由于高電流水平和快速開關波形，正確的PCB布局至關重要。特別是要保持所有走線短，尤其是連接到FB引腳以及連接N1、L1、D1、D2、C4和C5的走線。將R3、R4和R5盡可能靠近反饋引腳放置。使用星形接地配置，將輸入旁路電容、輸出電容和開關晶體管的接地連接在一起，靠近IC的PGND引腳，并在芯片處將AGND和PGND連接在一起。

七、總結

MAX1620/MAX1621數字化可調LCD偏置電源為LCD驅動提供了靈活、高效的解決方案。通過合理選擇組件和優化PCB布局，可以確保其在各種應用中穩定可靠地工作。在設計過程中，需要注意輸出電壓的設置、組件的選擇以及接地和布局等問題，以實現最佳性能。各位工程師在實際應用中，不妨根據具體需求靈活調整設計，你在使用過程中遇到過哪些挑戰呢？歡迎在評論區分享。