TI LM3631：优化移动设备LCD电源与背光方案

在如今的电子设备市场中，移动设备的显示屏性能愈发重要，而LCD的电源管理和背光控制则是影响其表现的关键因素。德州仪器（TI）的LM3631正是一款专为移动设备LCD设计的高度集成解决方案，能够满足高清LCD的复杂电源需求。下面就详细探讨一下这款芯片的设计特点、应用及相关注意事项。

文件下载：lm3631.pdf

一、LM3631的核心特性

LM3631具备一系列强大的特性，使其在移动设备LCD电源管理领域表现出色：

1. 背光驱动能力

它可以驱动多达两个LED串，每个串最多可连接8个LED，最大输出电流为25 mA。集成的背光升压转换器最大输出电压可达29 V，背光效率最高能达到90%，能为LCD提供充足且高效的背光支持。

2. 多模式调光功能

支持11位线性或指数调光，输出分辨率最高可达17位，还可通过外部PWM输入实现CABC（内容自适应背光控制）操作，为不同的显示内容和场景提供灵活的调光方案。

3. LCD偏置电源

LCD偏置效率大于85%，可提供可编程的正偏置电压（4 - 6 V，最大输出电流100 mA）和负偏置电压（-4 - -6 V，最大输出电流80 mA）。此外，还有两个可编程的LDO参考输出，分别为4 - 6 V（最大输出电流50 mA）和1.8 - 3.3 V（最大输出电流80 mA），满足LCD不同部分的供电需求。

4. 宽输入电压范围

该芯片的输入电压范围为2.7 - 5 V，可适配多种电源，增加了应用的灵活性。

二、功能与结构解析

1. 总体架构

LM3631是一款单芯片解决方案，集成了高效的背光LED驱动器和正负偏置电源，以满足高清LCD的功率要求。其集成度高，体积小，却能保持高性能，非常适合中小尺寸的显示屏。另外，两个额外的可编程LDO稳压器输出可用于为显示控制器、LCD伽马参考或其他外设供电。

2. 功能模块剖析

背光模块

• 使能条件：通过设置 (BL_EN =1) 且亮度值大于零来启用背光。不过，LCD偏置电源轨需要先达到目标电压，背光才能启动。
• 亮度控制：可以通过 (I^{2}C) 亮度寄存器、外部PWM控制或两者结合来实现。不同的BRT_MODE位选择不同的亮度控制模式，如I2C寄存器控制、PWM输入占空比控制等。同时，还支持线性和指数两种映射方式来控制LED电流。
• 斜率调节：Sloper可平滑亮度值的过渡，斜率时间可通过SLOPE[3:0]位在0 - 4000 ms之间调整。高级斜率功能能让亮度变化对人眼来说更加平滑，还可通过DITHER_FREQ_SEL[3:0]位编程抖动频率，进一步优化斜率效果。

  背光升压转换器

• 驱动能力：采用异步背光升压转换器，为两个LED串提供所需的高电压。自适应电压控制环路可根据LED驱动器上的电压自动调整输出电压。
• 频率选择：有500 kHz和1 MHz两种开关频率模式，可通过Boost Frequency Select位设置。低频模式在轻载时效率更高，高频模式在重载时效率更佳。还具备自动频率选择模式，根据编程的LED电流自动切换频率。
• 保护机制：具备过压保护（OVP）和过流保护（OCP）功能。OVP可监测LED升压输出电压，防止超过安全工作电压；OCP有4种可选阈值，可在检测到过流时及时关闭NFET。

  LCD偏置模块

• 电源供应：由一个高效的升压转换器提供正电压轨 (V{BST_OUT})，为LCD的 (V{POS})、(V{NEG}) 偏置以及 (V{OREF}) 输出供电。
• 电压调节：(V{POS}) 输出LDO的可编程范围为4 - 6 V，步长为50 mV，最大输出电流100 mA；(V{NEG}) 输出通过调节反相电荷泵实现，范围为 -6 - -4 V，步长50 mV，最大负载80 mA；(V_{OREF}) 输出LDO的可编程范围为4 - 6 V，步长50 mV，最大输出电流50 mA。
• 电源排序：支持对 (V{POS})、(V{NEG})、(V{CONT}) 和 (V{OREF}) 的输出上电和断电时序进行配置，确保系统的稳定运行。

  其他功能模块

• 显示控制器电源：支持额外的稳压输出 (V{LDO_CONT})，可提供1.8 V、2.3 V、2.8 V和3.3 V四种可编程电压，最大输出电流80 mA，直接由 (V{IN}) 供电。
• 重置与标志引脚：(I^{2}C) 寄存器0x14可将所有 (I^{2}C) 寄存器值重置为默认值；FLAG引脚可作为故障或电源良好状态的指示器，其状态可通过I2C编程设置。
• 热关断与欠压锁定：当芯片温度达到或超过140°C时，热关断保护功能会关闭背光和所有偏置电压输出，进入待机模式；当温度低于120°C时，可恢复工作。欠压锁定功能可在输入电压低于阈值时设置UVLO故障，当电压恢复正常时，可通过I2C清除该故障。

三、应用与设计要点

1. 典型应用场景

LM3631主要应用于移动设备的LCD背光和偏置供电，能够驱动一到两个LED串，每串包含4 - 8个白色LED。其输出电压可用于为显示控制器、LCD伽马参考或其他外设供电，且LCD偏置电压可在不启用背光的情况下单独使用。

2. 设计具体步骤

外部组件选择

• 电感：两个升压转换器的电感选择需要特别注意。LCD偏置升压转换器的补偿参数固定，适用于1.5 -µH电感；背光升压转换器可通过INDUCTOR位选择10 -µH或22 -µH电感，电感的有效电感值应控制在±20%以内。同时，要确保电感的饱和电流大于最大负载电流和最坏情况下的平均到峰值电感电流之和。
• 电容：不同模块的输出电容选择也有讲究。背光升压转换器输出推荐使用两个2.2 -μF电容，也可使用单个2.2 -μF电容以减小体积，但有效输出电容需大于1 µF；LCD - 偏置 - 升压输出推荐使用两个10 -μF电容。所有电容都建议使用高质量的陶瓷类型X5R或X7R，且电压额定值要大于实际使用的最大输出电压。此外，还需考虑电容的DC偏置效应。
• 二极管：背光升压二极管应选用肖特基二极管，其峰值重复电流应大于电感峰值电流，平均电流额定值应大于最大输出电流，反向击穿电压应显著大于最大输出电压。
• 电荷泵电容：飞跨电容和输出电容的电压额定值应高于最大输出电压，推荐使用10 -V电压额定值和10 µF的陶瓷X5R/X7R电容。
• LDO输出电容：LDO输出电容的电压额定值要高于最大输出电压，同样推荐使用10 -V电压额定值和10 -µF的陶瓷X5R/X7R电容。

  布局设计

• 电容放置：将升压转换器的输出电容尽可能靠近输出电压和GND引脚，LDO的输出电容也应靠近输出引脚，电荷泵的飞跨电容和输出电容要靠近相应引脚。
• 减少环路：尽量将输入电容和电感靠近GND和开关引脚，以最小化升压转换器的开关环路。如果可能，将开关环路仅布置在顶层，减少开关节点上的铜面积，同时保证足够的布线宽度，以降低开关引脚的寄生电容。
• 信号布线：VIN输入电压引脚需通过低ESR旁路电容接地，且电容应尽可能靠近VIN引脚。将内部引脚布线在第二层，使用偏移微过孔从顶层连接到中间层，避免信号迹线直接布置在升压转换器的开关环路下方。

四、结语

TI的LM3631为移动设备LCD的电源管理和背光控制提供了一个全面且高效的解决方案。其高度集成的设计、丰富的功能特性和灵活的编程能力，使得开发者能够轻松应对各种复杂的应用需求。在实际设计过程中，合理选择外部组件和优化布局设计是确保芯片性能充分发挥的关键。希望各位工程师在使用LM3631时能够充分利用其优势，打造出更加出色的移动设备显示方案。大家在实际应用中遇到过哪些问题呢？又是如何解决的呢？欢迎在评论区分享交流。