MAX25220/MAX25221/MAX25221B/MAX25221C：汽车4通道TFT - LCD电源解决方案

引言

在汽车电子领域，TFT - LCD显示屏的应用越来越广泛，而稳定可靠的电源供应是保证显示屏正常工作的关键。Maxim Integrated推出的MAX25220/MAX25221/MAX25221B/MAX25221C系列4通道TFT - LCD电源IC，为汽车显示屏提供了全面且高效的电源解决方案。本文将深入介绍该系列产品的特性、功能以及应用设计要点。

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产品概述

MAX25220/MAX25221/MAX25221B/MAX25221C是专门为汽车TFT - LCD设计的4通道电源IC。它们能够提供对称的正AVDD和负NAVDD电源，以及VGON和VGOFF栅极电源。其中，MAX25221、MAX25221B和MAX25221C还集成了VCOM缓冲器和温度测量模块。这些器件内置非易失性存储器，可对所有输出值进行校准，校准次数最多可达5次。通过内置的I²C接口进行编程，还能读取诊断信息，并且支持独立运行模式。

产品特性与优势

高度集成

• 多电源输出：同步升压转换器可提供4.2V至10.5V的AVDD电源，最大电流可达200mA；NAVDD逆变器输出最大电流可达 - 200mA；通过3倍调节电荷泵提供15mA的VGON输出（7.6V至20.2V）；通过调节电荷泵提供VGOFF（ - 18.2V至 - 5.6V），最大电流可达 - 15mA。
• VCOM缓冲器：VCOM输出范围为 + 1V至 - 2.49V，步长为6.83mV（MAX25221/B/C），还具备温度补偿功能。
• 温度测量：集成温度传感器接口模块（MAX25221/B/C），可根据测量温度调整VCOM输出电压。

低EMI

支持420kHz/2.1MHz开关频率，并具备扩频功能，有效降低电磁干扰。

多功能性

• 非易失性输出电压设置：可对AVDD、NAVDD、VGON、VGOFF、VCOM的输出电压和电源顺序进行非易失性设置。
• 独立运行模式：编程后可独立运行，满足不同应用需求。
• AEC - Q100 Grade 1认证：符合汽车级标准，确保在恶劣环境下的可靠性。

电气特性

输入电源

• IN电压范围为2.65V至5.5V，IN欠压锁定（UVLO）阈值上升为2.4V至2.57V，滞回为100mV。
• IN关断电流在EN = GND、VIN = 3.3V、TA = + 25°C时为7至12μA，静态电流在VEN = VIN = 3.3V且无开关操作时为1.5至2.5mA。

调节器

• V18调节器输出电压为1.72V至1.88V，电流限制为60mA，欠压锁定上升阈值为1.6V至1.7V，滞回为150mV。
• 升压调节器HVINP输出电压范围为VIN + 1V至10.5V，AVDD输出电压范围为4.2V至10.5V，调节步长为0.1V。
• 反相调节器在2.1MHz开关频率下，振荡器最大占空比为92%至95%；在420kHz开关频率下，为88%至90%。

电荷泵

• 正电荷泵VGON阈值为VHVINP - 0.8V，FC1 - 、FC2 - 开关电流限制，高端为90至120mA，低端为72至100mA。
• 负电荷泵DN电流限制为75至100mA，VGOFF电压范围为 - 18.2V至 - 5.6V，调节步长为0.2V。

故障保护

• 故障超时时间在tfault[1:0] = 10时为60ms，故障重试时间在tretry[1:0] = 10或11时为1.9s。
• FLTB输出频率在独立模式下为0.88至1.12kHz，不同故障下的占空比不同，可用于指示故障类型。

引脚配置与功能

引脚配置

该系列产品采用TQFN封装，不同型号的引脚配置略有差异。例如，MAX25220和MAX25221/B/C在部分引脚功能上有所不同，如MAX25221/B/C有VCOM、VCOMN等引脚用于VCOM缓冲器相关功能。

引脚功能

• VPROG：编程电压引脚，在对非易失性寄存器编程时需施加8.5V电压，正常工作时通过电阻连接到GND。
• EN：使能输入引脚，低电平时器件处于关断状态，高电平时器件激活。
• ADD：设备地址选择引脚，用于选择I²C地址，若不使用I²C，留空该引脚可进入独立运行模式。

工作模式与操作

上电状态

上电时，器件处于低静态电流模式，直到EN引脚置高。EN置高且IN引脚电压超过欠压锁定电压（2.5V）后，1.8V调节器开启，1ms后器件开始工作。后续操作取决于器件配置和类型，不同型号在ADD引脚不同连接方式下的启动行为有所不同。

开关频率

通过CONFIG寄存器中的fSW位设置开关频率，fSW为0时开关频率为2.1MHz，fSW为1时为420kHz。还可通过en_ss位启用扩频功能以改善EMI性能。

独立运行模式

当器件已编程且希望上电后以预编程值启动时，可使用独立运行模式。此时将ADD引脚留空，EN引脚置高后，器件将按照预编程顺序开启输出。

I²C只读模式

MAX25221B/C在ADD引脚连接到V18时，I²C接口进入只读模式，只能读取设备寄存器，不能进行写入操作，此时设备的7位I²C地址为0x29（添加读位后为0x53）。

电源供应

源驱动器电源供应

由升压转换器和反相降压 - 升压转换器组成，分别提供正AVDD和负NAVDD电源。AVDD调节电压通过I²C接口写入AVDD_SET寄存器中的avdd[5:0]值进行设置，默认输出电压为6.8V。NAVDD自动紧密调节为 - AVDD，误差在±34mV以内。

栅极驱动器电源供应

正栅极驱动器电源VGON是一个调节电荷泵三倍器，最大输出电压可达 + 20.2V；负栅极驱动器电源VGOFF最大负电压为 - 18.2V。VGON和VGOFF的调节电压通过I²C接口写入相应寄存器的值进行设置，并可存储在非易失性寄存器中。

电源顺序控制

电源的上电和下电顺序由VCOM_L寄存器中的seq_set[2:0]位控制，有多种顺序可供选择。设置应在执行顺序前写入，且在开启或关闭顺序期间不应更改。顺序中的延迟时间由DELAY - VCOM_LSB寄存器中的delayt1、delayt2和delayt3设置决定。

VCOM缓冲器

VCOM输出电压编程

VCOM输出电压通过I²C编程设置在 - 2.49V至 + 1V之间，9位值可存储在非易失性存储器中。VCOM缓冲器可输出高达±120mA的峰值电流，若输出电压偏离设定值超过0.25V，将检测到VCOM故障，并在FAULT2寄存器中标记vcom_flt位。

VCOMN负电源

通过线性调节器从NAVDD电源获得 - 3.5V的VCOM缓冲器电源，连接到VCB引脚的npn晶体管作为调节器的通晶体管，峰值输出电流至少为120mA。

VCOM温度补偿

可使用连接到TEMP输入的温度敏感组件（如NTC热敏电阻）或内部温度传感器对VCOM输出电压进行温度补偿。通过CONFIG寄存器中的int_sensor位选择传感器，TEMP引脚被强制为625mV，其电流被镜像到RREF引脚，RREF引脚的电压输入到内部8位ADC。温度补偿通过设置DELAY - VCOM_LSB寄存器中的T_comp_en位启用。

故障处理

I²C模式

在I²C模式下，若未屏蔽某些故障（如avdd_uv、navdd_uv等），将导致FLTB引脚置低。th_warn故障默认被屏蔽，需通过th_warn_mask位显式启用。

独立模式

当ADD引脚留空时，FLTB引脚根据检测到的故障输出不同占空比的脉冲序列，可用于指示故障类型。若检测到多个故障，将指示优先级最高的故障。

欠压故障处理

当检测到AVDD、NAVDD、VGON或VGOFF输出欠压时，所有输出将关闭，并在FAULT1寄存器中设置相应的故障位，FLTB引脚置低。根据tretry[1:0]位的设置，器件可能会进行重试。

热警告和关机

当结温达到125°C时，设置热警告位；当结温达到160°C时，所有输出立即关闭；当结温下降15°C时，输出将按照存储的顺序重新启用。

非易失性存储器

该系列产品包含六个一次性可编程存储器块，可将0x07至0x15的寄存器内容存储在非易失性存储器中，对应映射到0x17至0x25的寄存器位置。存储过程需要在VPROG引脚施加8.5V ± 2%且能提供超过25mA电流的电压源，通过I²C NV写命令将数据写入非易失性存储器。

应用设计要点

电感和电容选择

• 升压转换器电感：2.1MHz开关频率时使用2.2μH电感，420kHz时使用10μH电感，电感饱和电流需超过2.3A。
• 升压输出滤波电容：选择低等效串联电阻（ESR）的电容，2.1MHz开关时电容值应不小于10μF，HVINP节点电容应至少为AVDD电容的三倍。
• 升压输入滤波电容：为避免输入电压下降，需使用足够的输入电容，可使用2 x 22μF陶瓷电容与2 x 10μF陶瓷电容并联作为起始值。
• NAVDD调节器电感：与升压转换器类似，2.1MHz时使用2.2μH电感，420kHz时使用10μH电感，电感饱和电流需超过2.25A。
• NAVDD输出电容：选择低ESR和合适电容值的电容，2.1MHz开关频率时电容值应不小于10μF。

VGON和VGOFF电压设置

VGON输出电压通过写入VGON寄存器中的vgon[5:0]字段设置，VGOFF电压通过写入VGOFF寄存器中的vgoff[5:0]字段设置。若VGON电压需要高于三倍AVDD，可使用外部电荷泵电路。

布局考虑

• 旁路电容应尽可能靠近器件连接，电容接地通过靠近电容端子的过孔连接到模拟接地平面。
• 器件的GND引脚通过靠近GND的过孔连接到模拟接地平面，模拟接地平面应位于内层，覆盖功率转换器关键信号组件下方的整个区域。
• 为开关转换器功率电路设置功率 - 接地平面，PGND连接到最靠近的功率 - 接地平面，其他接地连接通过靠近端子的过孔连接到功率接地平面。
• 最小化所有开关节点的铜面积，减少AVDD和NAVDD转换器的环路面积，将输入和输出电容接地靠近放置。
• GND、CPGND和PGND在器件的暴露焊盘处连接。

总结

MAX25220/MAX25221/MAX25221B/MAX25221C系列4通道TFT - LCD电源IC以其高度集成、低EMI、多功能等特性，为汽车TFT - LCD显示屏提供了可靠的电源解决方案。在设计应用时，需要根据具体需求合理选择电感、电容等元件，并注意布局布线，以确保器件的性能和可靠性。你在实际应用中是否遇到过类似电源IC的设计挑战呢？欢迎在评论区分享你的经验和想法。