汽车显示电源的理想之选：MAX20067/MAX20067B深度解析

在汽车电子领域，TFT-LCD 显示屏的广泛应用对显示驱动电源提出了更高要求。MAX20067/MAX20067B 作为 Maxim Integrated 推出的汽车 3 通道显示偏置 IC，凭借其高度集成、多功能和高性能等特点成为了众多设计的理想之选。下面，我将深入剖析这款芯片，为电子工程师们在硬件设计开发中提供有价值的参考。

文件下载：MAX20067.pdf

功能特性概述

MAX20067/MAX20067B 专为汽车 TFT-LCD 应用打造，集成了一个电流模式升压转换器、两个推挽式电荷泵驱动器、一个门控阴影推挽式电平转换器、一个 DAC 和 VCOM 缓冲器，所有模块既可以独立工作，也能通过 (I^{2}C) 接口进行控制，支持 2.7V 至 5.5V 电源供电，工作温度范围为 -40°C 至 +105°C，采用 32 引脚 TQFN 封装。它适用于信息娱乐显示屏、中央信息显示屏、仪表盘等汽车显示场景。

灵活电源部分

• 集成升压转换器：输出电压最高可达 18V，有高功率（MAX20067）和低功率（MAX20067B）两种选项。
• 集成电荷泵驱动器：提供 VGON（最大 +32V）和 VGOFF（最小 -24V）输出。

低 EMI 运行

• 可编程开关频率：支持 440kHz 或 2.2MHz 的开关频率。
• 可编程扩频：有效降低电磁干扰。

全面控制与诊断

• (I^{2}C) 接口：实现全面的控制功能、诊断和监测。
• 扩展诊断：可检测 HVINP、VGON、VGOFF 的欠压/过压，AVDD 的过流以及温度警告。

其他特性

• 内置门控阴影电路：由 CTL 输入控制，可改善显示均匀性。
• 8 位 DAC 控制的 VCOM 缓冲器：提供稳定的 VCOM 输出。
• 高可靠性：工作温度范围宽，具备内部温度关断功能，符合 AEC-Q100 标准。
• 紧凑封装：采用 32 引脚（5mm x 5mm）TQFN 封装，节省 PCB 空间。

关键模块详细分析

TFT 电源部分

源极驱动器电源

源极驱动器电源由升压转换器提供，可产生最大 +18V 电压，最大输出电流可达 +200mA（MAX20067B 为 +100mA）。其调节电压（HVINP）通过 FBP 上的电阻分压器设置，采用恒定频率峰值电流模式控制，内部固定斜率补偿确保控制环路稳定。在低输出功率时，转换器进入跳周期模式以提高效率。

栅极驱动器电源

正栅极驱动器电荷泵（VGON）可产生最大 +32V 电压，负栅极驱动器电荷泵（VGOFF）可产生最小 -24V 电压。正电荷泵电流能力为 10mA（采用倍压电荷泵），负电荷泵为 3mA（假设为 2 级电荷泵）。VGON 和 VGOFF 的调节电压通过外部电阻网络设置，两个电荷泵均采用 440kHz 开关频率。

电荷泵工作原理

正电荷泵

正电荷泵通常用于为 TFT-LCD 栅极驱动器 IC 生成正电源轨。输出电压通过外部电阻分压器设置，中点连接到 FBGH。采用简单的跳周期控制方案，将反馈信号（FBGH）与 1.25V 内部参考进行比较，根据比较结果控制 DRVP 周期，实现功率传输。

负电荷泵

负电荷泵用于生成负电源轨，输出电压通过外部电阻分压器从其输出到 REF 设置，中点连接到 FBGL。同样采用比较反馈信号（FBGL）与内部参考电压的方式控制 DRVN 周期，实现电荷转移。

故障保护机制

芯片具备强大的故障和过载保护功能。当源极驱动器或栅极驱动器电源电压低于编程调节电压的 80%（典型值）或高于 115% 超过 60ms（典型值，默认），或者源极驱动器电源出现短路（输出电压低于预期调节电压的 40% 超过 10μs）时，所有输出将关闭并设置故障状态。故障状态可通过循环 ENP 引脚或 INA 电源，或在重试定时器（2.4s 典型值，默认）超时后清除。如果发生热故障，芯片将立即关闭，直到温度下降 15°C（典型值）。

输出控制与时序

源极驱动器和栅极驱动器输出（AVDD、VGON 和 VGOFF）的时序可通过 SEQ 引脚设置或通过 (I^{2}C) 接口控制。所有输出均采用软启动控制以限制浪涌电流，关闭时按顺序进行，升压转换器最后关闭。所有输出提供有源下拉功能，便于控制放电。

门控阴影电平转换器

当所有稳压器软启动完成且 DEL 引脚超过其启用阈值时，门控阴影电平转换器启用。通过 DEL 引脚电容和内部 5μA 电流源可调节启动延迟时间。转换器状态由 CTL 和 MODE 输入控制，MODE 引脚电容可用于延迟 GATES 输出的下降时间。

VCOM 缓冲器

当 AVDD 超过其电源良好阈值时，VCOM 缓冲器启用。其正电源为 VCOMP（通常连接到 AVDD 输出），负电源为地。输出电压默认设置为 (V_{COMP}) 的一半，可通过驱动 VCINH 引脚或使用 (I^{2}C) 接口写入内部 DAC 进行控制。输出可提供或吸收最大 130mA 电流，使用时需连接一个 1μF 陶瓷电容到地。当 VCINH 和 VCOM 输出引脚之间的电压差大于 250mV 时，检测到 VCOM 缓冲器故障，故障可通过写入相应故障位清除。

(I^{2}C) 接口与寄存器配置

(I^{2}C) 接口概述

芯片包含 (I^{2}C) 串行接口，作为从设备工作。数据传输的基本单元为 8 位，通过连接 SEQ 引脚到 GND 选择 (I^{2}C) 模式。电源上电序列可通过手动或自动两种方式控制。

手动控制模式

在手动模式下，(I^{2}C) 主机使用调节器控制寄存器（0x02）中的位单独启用输出。如果检测到故障，故障输出在相应的去毛刺时间后禁用，且不执行重试功能。

自动控制模式

在自动模式下，通过 autoseq_row1 - autoseq_row3 和 textd_dly1、textd_dly2 位预设序列，然后设置 autoseq_ctrl 位执行序列。如果发生故障，故障输出关闭，其他输出按设置顺序关闭。如果启用重试功能，将在适当延迟后尝试重试。

寄存器配置

芯片提供了多个寄存器用于配置和状态监测，如设备 ID 寄存器（0x00）、配置寄存器（0x01）、调节器控制寄存器（0x02）、调节器电源状态寄存器（0x03）等。通过对这些寄存器的操作，可以实现对芯片各项功能的灵活控制和状态监测。

应用设计指南

升压转换器设计

电感选择

升压电感的值根据公式 (L=frac{(V{INA } × D)}{(LIR × I{INA } × f{SW})}) 计算，其中 (V{INA}) 为升压输入电压，D 为占空比，LIR 为电感电流纹波因数（取值范围 0.5 至 1），(I{INA}) 为升压转换器输入电流，(f{SW}) 为开关频率（2.2MHz 或 440kHz）。占空比 D 可通过公式 (D=frac{(1 - η × V{INA })}{V{OUT }}) 计算，(I{INA}) 可通过公式 (I{INA }=frac{(v{OUT } × I{OUT })}{(n × V{INA })}) 估算，其中 (η) 为转换器效率（假设为 0.85），(V{OUT}) 为升压输出电压，(I_{OUT}) 为升压输出电流。

电容选择

输入和输出滤波电容应选择低 ESR 类型（如钽电容、陶瓷电容或低 ESR 电解电容），其 RMS 电流额定值应大于相应的计算值。输出电压的纹波分量由 ESR 和电容值决定，可通过相应公式计算。

输出电压选择

升压转换器的输出电压可通过 RTOP 和 RBOTTOM 组成的电阻分压器进行调整。选择 RBOTTOM 在 10kΩ 至 50kΩ 范围内，RTOP 可通过公式 (R{TOP }=R{BOTTOM } × ((frac{V_{OUT }}{1.25}) - 1)) 计算。

电荷泵调节器设计

电荷泵级数选择

为了获得最高效率，应选择满足输出电压要求的最少电荷泵级数。正电荷泵级数 (n{POS}) 和负电荷泵级数 (n{NEG}) 可通过相应公式计算。

飞跨电容选择

增加飞跨电容（连接到 DRVN 和 DRVP）的值可降低有效源阻抗并提高输出电流能力，但电容值过大对输出电流能力的影响不大。一般选择 0.1μF 陶瓷电容，其电压额定值应超过 (n × V_{HVINP})。

电荷泵输出电容选择

增加输出电容或降低 ESR 可减少输出纹波电压和峰峰值瞬态电压。使用公式 (C{OUT_CP }>frac{I{LOAD_CP }}{2 × f{SW} × V{RIPPLE_CP }}) 可近似计算所需的电容值。

PCB 布局注意事项

• 电源和模拟地分离：在 PCB 上分离电源地和模拟地，并在单点连接。
• 反馈电阻连接：将所有反馈电阻分压器连接到模拟或“安静”地，REF 和 INA 电容也应如此。反馈电阻应靠近相关引脚放置，以避免噪声拾取。
• 去耦电容放置：去耦电容应尽可能靠近各自的引脚放置。
• 高电流路径设计：保持高电流路径短而宽，以降低电阻和电感。
• 高速开关节点布线：将高速开关节点（如 LXP、DRVN 和 DRVP）远离敏感模拟节点（如 FBP、FBGH、FBGL 和 REF）布线。

总结

MAX20067/MAX20067B 以其高度集成的特性、丰富的功能和可靠的性能，为汽车 TFT-LCD 显示应用提供了一站式解决方案。电子工程师在设计过程中，通过合理选择外部元件、优化 PCB 布局和灵活配置寄存器，可以充分发挥该芯片的优势，实现高性能、高可靠性的汽车显示电源设计。大家在实际应用中是否遇到过类似芯片的使用难题呢？欢迎在评论区分享交流。