汽车TFT - LCD电源解决方案：MAX16928深度剖析

在汽车电子领域，TFT - LCD显示屏的应用越来越广泛，如汽车仪表盘、中央信息显示屏和导航系统等。这对TFT - LCD电源的性能、集成度和稳定性提出了更高的要求。Maxim Integrated推出的MAX16928就是一款专门为汽车TFT - LCD应用设计的高度集成电源解决方案。本文将详细介绍MAX16928的特点、工作原理、设计和应用注意事项。

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一、MAX16928概述

1.1 产品简介

MAX16928集成了一个升压转换器、一个1.8V/3.3V调节器控制器以及两个栅极电压调节器，有多种版本可供选择，以满足常见汽车TFT - LCD电源要求。它采用20引脚TSSOP封装，带有外露焊盘，工作温度范围为 - 40°C至 + 105°C。

1.2 应用场景

主要应用于汽车仪表盘、汽车中央信息显示屏和汽车导航系统等。

1.3 产品特性

• 高功率输出：升压输出功率高达6W，可提供高达18V的电压。
• 多电压调节：1.8V或3.3V调节器配合外部npn晶体管可提供500mA电流；正栅极电压调节器能在28V下提供20mA电流；还有负栅极电压调节器。
• 高频操作：2.2MHz的高频操作，可使用低剖面电感和陶瓷电容，减小LCD面板设计厚度。
• 灵活的独立排序：通过SEQ输入可灵活控制正、负栅极电压调节器的启动顺序。
• 多种保护功能：具有过热关机、过流保护等功能，保障设备安全稳定运行。
• 符合汽车标准：通过AEC - Q100认证，满足汽车级应用要求。

二、关键参数与特性

2.1 绝对最大额定值

详细规定了各引脚的电压、电流、功率、温度等极限参数，如INA、COMPV、FBP到GND的电压范围为 - 0.3V至 + 6V等。超出这些额定值可能会对设备造成永久性损坏。

2.2 电气特性

在 (V{INA }=5V) ， (V{GND}=V{PGNDP}=0V) ， (T{A}=T_{J}=-40^{circ}C) 至 + 105°C的条件下，给出了各转换器和调节器的详细电气参数，如升压转换器的开关频率为1.98 - 2.42MHz，最大占空比为82 - 93.5%等。

2.3 典型工作特性

通过一系列图表展示了设备在不同条件下的性能，如关机电源电流、负载调节、效率与负载电流关系、启动波形、电源排序波形等，为工程师在实际应用中评估和优化电路提供了重要参考。

三、引脚配置与功能

3.1 引脚分布

MAX16928采用20引脚TSSOP封装，各引脚功能明确，如ENP用于使能升压电路和1.8V/3.3V调节器控制器；DR为1.8V或3.3V调节器输出；FB为反馈输入等。

3.2 引脚功能详解

• ENP：内部有500kΩ下拉电阻，高电平正常工作，低电平使设备进入关机状态。
• DR：具有4.5mA（最小）驱动能力，可通过外部npn晶体管提高输出电流能力。
• FB：调节到1.8V或3.3V，根据负载情况可直接连接DR或通过外部npn晶体管连接。
• GATE：外部p - 沟道FET栅极驱动，故障时可关闭FET，实现真正的关机功能。

四、工作原理

4.1 升压转换器

采用电流模式、固定频率PWM架构，2.2MHz开关频率可使用低剖面电感和陶瓷电容。通过误差放大器比较FBP信号与1V，调整COMPV输出，控制电感峰值电流，实现输出电压调节。同时，通过斜率补偿信号保证高占空比时的稳定性。

4.2 扩频调制

通过对开关频率进行±4%的调制，将开关噪声移出AM频段，提高EMI性能。

4.3 启动过程

上电、退出关机或进入重试模式后，先进行短路检测。若LXP电压超过1.2V，开启外部pMOS开关，升压输出在15ms内达到最终值；若低于1.2V，则认为输出过载或短路，关闭外部pMOS开关，经过238ms故障消隐期后，拉低PGOOD并启动重试定时器。

4.4 故障条件与PGOOD

PGOOD用于指示所有调节器和升压转换器是否正常工作。当出现多种故障情况（如输出电压低于设定值、LXP电压过高、正电荷泵电压过高等）时，PGOOD拉低。不同故障情况处理方式不同，部分故障会立即关闭所有输出，部分仅拉低PGOOD而不关闭输出。

4.5 重试机制

当重试计数器在1.9s后完成计数，设备会按顺序尝试启动升压转换器和栅极电压调节器，只要故障条件持续，就会继续重试。但1.8V/3.3V调节器输出故障只会使PGOOD拉低，不会导致设备关机和进入重试。

4.6 电流限制

升压转换器的有效电流限制会受内部注入的斜率补偿影响，具体计算公式为 (LIM(EFF) =192 × 10^{-12} × I{LIM _D C _0} × frac{D}{C{COMPI}}) ，其中 (I{LIM _D C _0}) 取决于升压转换器电流限制选项，D为占空比， (C{COMPI}) 为COMPI引脚电容值。

五、设计要点

5.1 升压转换器设计

• 电感选择：需考虑电感值、饱和电流和直流电阻。一般选择30% - 60%的峰 - 峰纹波电流与平均电流比，根据公式 (L=frac{V{INA } × D}{LIR × I{INA } × f{SW}}) 计算电感值，其中 (I{INA }=frac{V{O} × I{O}}{eta V{INA }}) ， (D=frac{1-eta V{INA }}{V_{O}}) 。
• 电容选择：输入和输出滤波电容应选择低ESR类型，根据公式计算其RMS电流额定值。输出电压纹波由ESR和电容值决定，可通过公式 (Delta V{RIPPLE }=Delta V{ESR}+Delta V_{CAP}) 计算。
• 整流二极管：选择肖特基二极管，其反向电压承受能力应至少为 (V{SH}) ，平均正向电流额定值应大于 (I{D}=I{I N A} times(1-D)) ，峰值电流额定值应大于 (I{INA} timesleft(1+frac{LIR}{2}right)) 。
• 输出电压选择：通过电阻分压器RTOP和RBOTTOM调整输出电压，计算公式为 (R{TOP }=R{BOTTOM } timesleft(frac{V{O}}{V{FBP}}-1right)) ，其中 (V_{FBP}=1V) 。
• 环路补偿：选择RCOMPV和CCOMPV设置高频积分器增益和积分器零点，以实现快速瞬态响应和环路稳定性。同时，可根据公式 (C{COMPI} leq 950 × 10^{-6} × L /left(V{SH}+V{SCHOTTKY }-V{INA }right)) 计算CCOMPI的值。

5.2 1.8V/3.3V调节器控制器设计

可直接连接FB和DR获得1.8V/3.3V输出，也可通过外部npn晶体管提高输出能力。当升压输出电流大于300mA时，需在DR和GND之间连接30kΩ电阻。

5.3 正栅极电压调节器设计

通过外部电荷泵提供正电源电压，输出电压可通过电阻分压器调整，计算公式为 (R{TOP }=R{BOTTOM } timesleft(frac{V{GH}}{V{FBGH}}-1right)) ，其中 (V{FBGH}=1V) 。同时，需注意内部pMOS器件的功率损耗，计算公式为 (P{GL}=left(V{CP}-V{GH}right) × I_{LOAD(MAX)}) 。

5.4 负栅极电压调节器设计

通过反相电荷泵提供负电源电压，输出电压可通过电阻分压器调整，计算公式为 (R{BOTTOM }=R{TOP } × frac{V{FBGL }-V{GL}}{V{REF}-V{FBGL}}) ，其中 (V{REF}=1.25V) ， (V{FBGL}=0.25V) 。选择合适的外部npn晶体管，需考虑电流增益、输入电容、集电极 - 发射极饱和电压和功率损耗等因素。

5.5 电荷泵设计

• 级数选择：根据输出电压需求选择合适的电荷泵级数，计算公式为 (n{C P}=frac{V{G H}+V{DROPOUT }-V{SH}}{V{SH}+V{SCHOTTKY }-2 × V{D}}) 和 (n{CN}=frac{left|V{GL}right|+V{DROPOUT }}{V{SH}+V{SCHOTKY }-2 × V_{D}}) 。
• 飞跨电容：选择合适的飞跨电容值，一般0.1μF陶瓷电容适用于大多数低电流应用。
• 输出电容：根据公式计算所需的输出电容值，以减小输出纹波电压和峰 - 峰瞬态电压。
• 整流二极管：选择高速硅开关二极管，电流额定值应至少为平均电荷泵输入电流的两倍。

六、应用注意事项

6.1 功率损耗计算

设备的功率损耗主要包括升压转换器、正栅极电压调节器、负栅极电压调节器和1.8V/3.3V调节器控制器的损耗。通过相应公式可估算各部分的功率损耗，总功率损耗为各部分损耗之和。为实现最大热传递，需将外露焊盘连接到热焊盘，并通过热过孔将热焊盘连接到大面积接地平面。

6.2 PCB布局

良好的PCB布局对设备性能至关重要。应将去耦电容尽量靠近设备，将电源接地平面和模拟接地平面在靠近设备的一点连接；输入和输出电容连接到电源接地平面，其他电容连接到模拟接地平面；保持高电流路径短而宽，缩短开关电流路径；将反馈电阻尽量靠近设备，将电阻分压器的负端和补偿网络连接到模拟接地平面；将高速开关节点LXP远离敏感模拟节点。

七、总结

MAX16928是一款功能强大、集成度高的汽车TFT - LCD电源解决方案，具有多种保护功能和灵活的控制特性。在设计和应用过程中，工程师需根据具体需求合理选择元器件，优化电路设计和PCB布局，以确保设备的性能和稳定性。你在实际应用中是否遇到过类似电源芯片的设计挑战呢？欢迎在评论区分享你的经验和见解。