探索MAX17126B：多功能LCD TV电源解决方案

在电子设备飞速发展的今天，LCD TV作为家庭娱乐的核心设备，对其电源系统的性能和稳定性提出了更高的要求。Maxim Integrated推出的MAX17126B多输出电源芯片，专为TFT LCD TV面板设计，集成了多种功能，为LCD TV电源设计提供了一站式解决方案。

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一、产品概述

MAX17126B能够从12V稳压输入为TFT LCD TV面板生成所有电源轨。它集成了降压和升压调节器、正负电荷泵、运算放大器、高精度高压伽马参考以及高压开关控制块等多种功能模块。该芯片可在8V至16.5V的输入电压范围内工作，针对直接由12V电源供电的LCD TV面板进行了优化。

二、关键特性

1. 宽输入电压范围

支持8.0V至16.5V的输入电压，适应不同的电源环境，增强了产品的通用性。

2. 可选择的开关频率

提供500kHz/750kHz两种开关频率选择，用户可以根据具体应用需求优化设计。高频（750kHz）操作可使组件尺寸最小化，但会因更高的开关损耗而牺牲一些效率；低频（500kHz）操作则能提供最佳的整体效率，但需要更大的组件尺寸和电路板空间。

3. 高效的调节器

• 降压调节器：采用固定频率电流模式控制架构，具有快速的负载瞬态响应和易于补偿的特点。内置20V、3.2A、100mΩ MOSFET，效率高，还具备3ms内部软启动功能，可有效限制启动时的浪涌电流。
• 升压调节器：同样采用固定频率电流模式控制，提供TFT源极驱动器电源电压。内置20V、3.5A、100mΩ MOSFET，具有快速的负载瞬态响应和高精度的输出电压（1.0%）。可通过CLIM引脚的电阻调节电流限制，还具备可调软启动功能。

4. 电荷泵调节器

• 正电荷泵调节器：输出电压可通过外部电阻分压器调节，具有7位电压斜坡软启动功能，可防止高峰值电流。
• 负电荷泵调节器：同样可调节输出电压，在降压调节器软启动完成后启用，也具备软启动功能。

5. 高性能运算放大器

专为驱动LCD背板（VCOM）设计，具有±200mA的短路电流、45V/µs的压摆率、20MHz的带宽和轨到轨输出，为LCD显示提供稳定的驱动信号。

6. 高精度高压伽马参考

误差控制在≤0.5%以内，可提供超过60mA的电流，为LCD显示的伽马校正提供精确的参考电压。

7. 保护功能

具备输入欠压锁定、热过载保护、短路保护等多种保护功能，确保芯片在各种异常情况下的安全运行。

三、典型应用电路

典型操作电路（图1）构成了一个完整的TFT LCD TV面板电源系统，可生成+3.3V逻辑电源、+16V源极驱动器电源、+35V正栅极驱动器电源、-6V负栅极驱动器电源以及≤0.5%高精度、高压伽马参考。

1. 降压调节器

• 工作原理：由内部n沟道MOSFET、无损电流检测网络、电流限制比较器和PWM控制器块组成。通过改变高端MOSFET的占空比来调节输出电压，采用0.1µF的飞跨电容的自举电路为高端栅极驱动器提供电源电压。
• 反馈模式：支持固定输出和可调输出两种模式。将FB2连接到GND可启用3.3V固定输出电压；通过在OUT和GND之间连接电阻分压器，并将中心抽头连接到FB2，可调节输出电压。
• 软启动：包含7位软启动DAC，将内部参考电压从0逐步提升到1.25V，软启动周期为3ms，在此期间禁用FB2故障检测，有效限制启动时的浪涌电流。

2. 升压调节器

• 工作原理：采用电流模式、固定频率PWM架构，集成MOSFET和内置数字软启动功能，减少了外部组件数量，同时控制浪涌电流。通过调节内部功率MOSFET的占空比来控制输出电压和输出功率。
• 外部pMOS开关：可在升压调节器肖特基捕获二极管的阴极和VAVDD滤波电容之间安装一个外部p沟道MOSFET，用于在设备正常启动后对AVDD进行电源排序，限制输出电容初始充电时的输入浪涌电流，并在升压调节器禁用时提供真正的关断功能。
• 软启动：通过线性增加内部电流限制来实现软启动，可根据SS引脚电容大小选择内部或外部软启动方式，有效限制启动时的浪涌电流。

3. 电荷泵调节器

• 正电荷泵调节器：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。采用高侧p沟道MOSFET和低侧n沟道MOSFET控制功率传输，每次启用时都有软启动功能，限制启动时的浪涌电流。
• 负电荷泵调节器：用于生成负电源轨，输出电压同样通过外部电阻分压器设置。在降压调节器软启动完成后启用，每次启用时也有软启动功能。

4. 高压开关控制

由两个高压p沟道MOSFET组成，通过GVOFF控制开关状态。当GVOFF为逻辑高时，连接VGHM到VGH；当GVOFF为逻辑低时，连接VGHM到DRN。在LCD关闭或处于故障状态时，开关控制块禁用，DLY1保持低电平。

5. 运算放大器

用于驱动LCD背板（VCOM），具有高输出短路电流、快速压摆率和宽带宽等特点。具备短路电流限制和输入钳位功能，可防止输出短路时芯片过热。在驱动纯电容负载时，需要采取措施确保稳定运行，如在OPO和电容负载之间放置小电阻或串联RC网络。

6. 线性调节器（VL）

输入电压范围为8V至16.5V，输出电压设定为5V，为内部MOSFET驱动器、PWM控制器、电荷泵调节器和逻辑电路供电，总外部负载能力为25mA。

7. 参考电压（REF）

参考输出标称值为1.25V，可提供至少50µA的电流，通过在REF和GND之间连接0.22µF陶瓷电容进行旁路。

8. 高精度高压伽马参考

LDO输出电压可通过电阻分压器调节，具有高输出精度（≤0.5%）和低压差电压（典型值0.25V），可提供至少60mA的电流。

9. XAO功能

XAO是一个开漏输出，当VDET低于其检测阈值（典型值1.25V）时连接到GND，同时VGHM连接到VGH。

10. 频率选择和异相操作（FSEL）

降压调节器和升压调节器使用相同的内部振荡器，FSEL输入选择开关频率。为减少输入RMS电流，降压调节器和升压调节器以180°异相工作，允许使用更少的输入电容。

四、电源上电和掉电序列

1. 上电序列

降压调节器在内部参考电压（REF）高于欠压锁定（UVLO）阈值时启动。降压调节器软启动完成后，启用FB2故障检测电路和负电荷泵。当EN变为逻辑高时，升压调节器启用，同时启用伽马参考。正电荷泵在升压调节器软启动完成后启用，正电荷泵软启动完成后，启用FBP故障检测电路和高压开关延迟块。

2. 掉电序列

当INVL低于其UVLO阈值时，降压调节器、升压调节器、正电荷泵、负电荷泵和高压开关块开始关闭。VL保持稳定直到INVL没有足够的余量，REF在VL低于其UVLO阈值后开始下降。伽马参考GREF保持稳定直到AVDD没有足够的余量，XAO在其输入电压低于设计阈值后被拉低。

五、故障保护和热过载保护

1. 故障保护

在稳态操作期间，如果四个调节器（降压调节器、升压调节器、正电荷泵调节器和负电荷泵调节器）的任何输出低于其各自的故障检测阈值，设备将激活内部故障定时器。如果故障持续50ms（典型值），设备将锁定除降压调节器（仅在其输出发生故障时锁定）外的所有输出。如果任何调节器输出发生短路，设备将立即锁定。

2. 热过载保护

当结温超过+160°C时，热传感器立即激活故障保护，关闭所有输出。需要循环输入电压来清除故障锁定并重新启动设备。

六、设计步骤

1. 降压调节器电感选择

需要指定电感值（L）、峰值电流（IPEAK）和直流电阻（RDC）三个关键参数。根据负载电流和开关频率计算电感值，选择合适的电感，确保其饱和电流超过峰值电流，直流电阻低以提高效率。

2. 输入电容选择

输入滤波电容用于减少从电源吸取的峰值电流，降低调节器开关引起的输入噪声和电压纹波。通常根据输入纹波电流要求和电压额定值选择，陶瓷电容因其高纹波电流和浪涌电流能力而常用。

3. 输出电容选择

输出电容和等效串联电阻（ESR）影响调节器的输出纹波电压和瞬态响应。根据纹波电压和负载瞬态要求确定输出电容和ESR，确保满足电压纹波和负载瞬态要求。

4. 整流二极管选择

由于设备的高开关频率，需要高速整流器，肖特基二极管因其快速恢复时间和低正向电压而被推荐。

5. 升压调节器电感选择

考虑电感值、峰值电流额定值和串联电阻等因素，根据最大输出电流、输入电压、输出电压和开关频率计算电感值，选择合适的电感，确保其饱和电流和DC电流额定值满足要求。

6. 输出电容选择

输出电压纹波由电容纹波和欧姆纹波组成，对于陶瓷电容，输出电压纹波通常由电容纹波主导。选择输出电容时需要考虑电压额定值和温度特性。

7. 输入电容选择

输入电容用于减少从输入电源吸取的电流峰值，降低噪声注入到IC。实际应用中，输入电容通常可以低于典型操作电路中的值。

8. 输出电压选择

通过在输出（VAVDD）和GND之间连接电阻分压器，并将中心抽头连接到FB1，可调节升压调节器的输出电压。

9. 环路补偿

选择ROMP设置高频积分器增益以实现快速瞬态响应，选择CCOMP设置积分器零点以保持环路稳定性。

10. 电荷泵调节器

• 选择电荷泵级数：根据输出要求选择最低数量的电荷泵级数以实现最高效率。
• 飞跨电容：增加飞跨电容值可降低有效源阻抗，提高输出电流能力，但增加电容对输出电流能力的影响有限。
• 电荷泵输出电容：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。
• 输出电压选择：通过连接电阻分压器可调节正电荷泵和负电荷泵调节器的输出电压。

11. 高精度高压伽马参考

• 输出电压选择：通过在输出（VREF_O）和AGND之间连接电阻分压器，并将中心抽头连接到VREF_FB，可设置LDO的输出电压。
• 输入和输出电容选择：为确保LDO的稳定性，在调节器输入（VREF_I）使用至少1µF电容，在输出（VREF_O）使用至少2.2µF电容。

12. 设置XAO阈值电压

通过在输入VIN和GND之间连接电阻分压器，并将中心抽头连接到VDET，可调节XAO阈值电压。

七、PCB布局和接地

• 最小化各个DC/DC转换器的高电流环路面积，将电感、二极管和输出电容靠近输入电容和LX_及PGND引脚放置。
• 为降压调节器、升压调节器和电荷泵分别创建电源接地岛，将它们的接地平面通过宽走线连接。
• 创建模拟接地平面，将PGND和GND岛通过接地引脚直接连接到暴露的背面焊盘。
• 将所有反馈分压器电阻尽可能靠近各自的反馈引脚放置，避免反馈走线靠近高电流节点。
• 将IN2、VL、REF和VREF_O引脚的旁路电容尽可能靠近设备放置。
• 最小化输出电容和负载之间的走线长度，最大化走线宽度，以获得最佳的瞬态响应。
• 最小化LX1和LX2节点的尺寸，同时保持其宽度和长度，避免它们靠近反馈节点和模拟接地。

MAX17126B以其丰富的功能、高效的性能和完善的保护机制，为LCD TV电源设计提供了一个可靠的解决方案。电子工程师在设计过程中，需要根据具体应用需求，合理选择组件参数，优化PCB布局，以充分发挥MAX17126B的优势，实现高质量的LCD TV电源系统。大家在使用MAX17126B进行设计时，是否遇到过一些独特的挑战呢？欢迎在评论区分享你的经验和见解。