深入剖析LP8543：一款高性能的WLED驱动芯片

今天给大家介绍一款由德州仪器（TI）推出的SMBus/I2C控制的WLED驱动芯片——LP8543，它主要用于中等尺寸LCD背光应用。下面我将从多个方面详细剖析这款芯片。

文件下载：lp8543.pdf

特性亮点

电源管理方面

• 高集成度与宽电压范围：LP8543集成了FET的高压DC/DC升压转换器，输入电压范围为5.5V至22V，能够支持2x、3x和4x锂离子电池，这为不同电源场景提供了广泛的适用性。比如在一些移动设备中，不同的电池配置都能找到合适的应用方案。
• 高效的PWM相移控制：采用PWM相移控制和自适应升压输出，相比传统升压转换器拓扑结构，能有效提高效率。这种控制方式通过周期性地关闭LED输出，优化升压转换器的输出电压，尤其在LED串正向电压存在差异时，能显著降低功耗。例如，当不同LED串的正向电压不一致时，相移PWM可以根据实际情况调整输出，使升压电压自动降低，从而提高整体效率。

功能控制方面

• 数字环境光传感器接口：具备用户可编程的环境光到背光亮度曲线，可根据环境光的变化自动调整背光亮度，既降低了功耗，又能提供自然的背光效果。这在户外和室内不同光照环境下使用的设备中非常实用，能为用户带来更好的视觉体验。
• 易于使用的EEPROM校准：可以对电流、强度和环境光响应进行设置，方便在背光单元生产过程中进行亮度校准，确保所有单元产生相同的亮度。这对于大规模生产的显示设备来说，能保证产品的一致性。

安全与保护方面

• 多通道LED驱动与故障检测：拥有七个LED驱动器，并具备LED故障（短路/开路）检测功能，能及时发现并报告LED的故障情况，提高了显示制造过程的良品率，也便于在正常运行时监测背光故障。
• 多重保护机制：具备内部热保护和背光安全调光功能，以及低输入电压检测和关断功能，能有效保护芯片在各种异常情况下不受损坏。例如，当系统出现故障导致电池完全放电时，低输入电压检测会自动关闭芯片，避免进一步损坏。

应用场景

• 中等尺寸LCD显示背光：适用于大于10英寸的LCD显示屏背光，能为其提供稳定、均匀的背光效果。在一些工业控制显示器、车载显示屏等中等尺寸显示设备中有着广泛的应用。
• LED照明：在一些需要精确控制亮度和颜色的LED照明场景中，LP8543也能发挥出色的作用。

电气特性

电源相关特性

• 输入输出电压范围：输入电压范围为5.5V至22V，输出电压范围为0至40V，能满足不同应用场景的电压需求。
• 电源电流：在待机模式下，内部LDO禁用时，待机电源电流最大为1μA；在正常模式下，LDO启用且升压启用，但无电流通过LED输出时，正常模式电源电流典型值为3.5mA。这表明芯片在不同工作模式下的功耗控制较为出色。

升压转换器特性

• 开关特性：开关导通电阻典型值为0.12Ω，开关频率可在625kHz和1250kHz之间选择，能根据实际需求灵活调整。
• 输出能力：升压最大输出电压为38V，最大连续负载电流在不同输入电压下有所不同，例如在VIN ≥ 12V、VOUT = 38V时为400mA，在VIN = 5.5V、VOUT = 38V时为180mA。

LED驱动特性

• 电流控制：输出电流精度在输出电流设置为20mA时，误差范围为±3%至±4%，各通道之间的匹配度较高，例如在输出电流设置为20mA时，OUT1 - 7的匹配度典型值为0.8%，OUT1 - 6的匹配度典型值为0.5%。
• PWM控制：PWM输出分辨率根据不同的频率有所变化，例如在fPWM_OUT ≤ 4883Hz时为10位，在fPWM_OUT = 9766Hz时为9位，在fPWM_OUT = 19531Hz时为8位。

功能实现与控制

亮度控制方法

• 电流控制：芯片激活时，8位LED电流默认值从EEPROM读取，电流控制范围为0至60mA，步长为0.23mA，可通过串行接口覆盖默认设置，实现对背光亮度的精细调整。这使得在不同LED芯片的应用中，能够根据实际情况调整电流，以达到最佳的亮度效果。
• 内部PWM控制：基于寄存器的8位PWM控制，通过分段线性转换曲线将寄存器值转换为LED PWM值，曲线系数存储在EEPROM中，可对100%亮度和调光行为进行校准。LED PWM频率可在229Hz至19.5kHz之间选择，还可使用PSPWM进一步优化。
• 外部PWM控制：可使用外部PWM信号设置显示亮度，芯片通过测量输入信号的占空比来计算输出PWM值，输入PWM频率范围为100Hz至25kHz。根据配置，外部PWM控制可以线性降低由亮度寄存器设置的值，也可作为唯一的控制方式。
• 环境光感应：通过连接外部环境光传感器，可根据环境光强度自动调整LED亮度。光到频率型光传感器可连接到LP8543的ALSI输入，响应设置的传输曲线系数存储在EEPROM中。芯片还提供ALSO输出，用于激活光传感器。

校准与EEPROM编程

LP8543内部的EEPROM用于存储各种控制参数，方便对背光亮度进行校准。编程EEPROM非常简单，用户只需将数据写入影子RAM内存，然后发出EEPROM写入命令即可。芯片的片上升压转换器会产生所需的擦除和编程电压，无需额外的外部电压。

串行通信

支持SMBus和I2C两种串行协议，通过IF_SEL输入进行选择。当IF_SEL为高时选择SMBus接口，为低时选择I2C接口。这种双协议支持使得芯片在不同的通信环境中都能灵活应用。

外部组件推荐

电感选择

电感的选择对升压转换器的性能至关重要。建议选择饱和电流大于计算值的电感，计算公式为(I{SAT}>frac{I{OUTMAX }}{D'}+I{RIPPLE })，其中(I{RIPPLE }=frac{left(V{OUT }-V{IN }right)}{(2 × L × f)} × frac{V{IN }}{V{OUT }})，(D=frac{left(V{OUT }-V{IN }right)}{left(V_{OUT }right)})，(D'=(1 - D))。一般来说，推荐使用15μH的屏蔽电感，其饱和电流额定值应大于0.9至2.5A（可编程到EEPROM），电阻应小于300mΩ，以保证良好的效率。同时，为了减少辐射噪声，应选择具有高频铁芯材料（如铁氧体）的屏蔽电感，并将其放置在靠近SW引脚和IC的位置。

输出电容

输出电容建议使用额定电压为50V或更高的陶瓷电容。由于直流偏置效应可能会使有效电容降低达80%，因此在选择电容值时需要考虑这一因素。对于轻负载（<100mA），4.7μF的电容就足够了；对于最大输出电压/电流，推荐使用10μF的电容（在38V时有效电容为4μF），以减少输出纹波。此外，建议在输出电容上并联一个33pF的小电容，以抑制高频噪声。

LDO电容

LDO电容推荐使用额定电压为10V的470nF陶瓷电容，以保证LDO的稳定输出。

输出二极管

输出二极管应使用肖特基二极管，其峰值重复电流应大于电感峰值电流（0.9至2.5A），平均电流额定值应大于最大输出电流。选择具有低正向压降和快速开关速度的肖特基二极管，有助于提高便携式应用的效率。同时应选择反向击穿电压明显大于输出电压（约60V）的二极管，避免使用普通整流二极管，因为其慢速开关速度和长恢复时间会影响效率和负载调节性能。

环境光传感器

LP8543使用光到频率型环境光传感器，适合的频率范围为200Hz至2MHz。

总结

LP8543是一款功能强大、性能出色的WLED驱动芯片，具有高效的电源管理、丰富的控制功能、完善的安全保护机制以及广泛的应用场景。在设计过程中，合理选择外部组件对于发挥芯片的最佳性能至关重要。希望通过本文的介绍，能帮助各位工程师更好地了解和应用LP8543芯片。大家在实际应用过程中遇到任何问题，欢迎一起交流探讨。