DLP471NE 0.47 英寸全高清数字微镜器件：技术解析与应用指南

在电子显示领域，数字微镜器件（DMD）凭借其独特的优势，广泛应用于各种显示系统中。TI 的 DLP471NE 作为一款 0.47 英寸全高清数字微镜器件，为高亮全高清显示系统提供了出色的解决方案。下面我们就来深入了解一下这款器件。

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一、器件概述

DLP471NE 是一款数控微机电系统（MEMS）空间照明调制器（SLM），其核心是 0.47 英寸对角线微镜阵列。该器件可用于实现高亮的全高清显示系统，TI 的 0.47 英寸全高清（1080p）芯片组由 DMD、DLPC7540 显示控制器以及 DLPA100 电源和电机驱动器组成，外形紧凑，为小巧的全高清显示提供了完整的系统解决方案。

1.1 主要特性

• 高分辨率：具备 1080p（1920 × 1080）的显示分辨率，能够呈现清晰细腻的图像。
• 微镜参数：微镜间距为 5.4µm，微镜倾斜角为 ±17°（相对于平坦表面），底部照明设计，高速串行接口（HSSI）输入数据总线支持全高清（高达 240Hz）。
• 生态系统支持：由 DLPC7540 显示控制器、DLPA100 电源管理和 DMD 生态系统提供现成的资源，有助于用户缩短设计周期。电机驱动器 IC 支持激光荧光、LED、RGB 激光和灯泡运行。

1.2 应用领域

DLP471NE 主要应用于智能投影仪和企业投影仪等领域。对于厚度受限的应用，其底部照明的高倾斜像素设计可提高亮度性能，并使系统尺寸更小。

二、引脚配置与功能

2.1 引脚布局

DLP471NE 采用 FYN Package 149 - Pin PGA 封装，在设计电路板时，需正确管理引脚功能表中标识的信号布局和操作，以确保器件可靠、长期运行。具体可参考 TI DLP TRP 数字微镜器件的 PCB 设计要求应用报告。

2.2 引脚功能

引脚功能涵盖高速差分数据对、高速差分时钟、LVDS 数据和时钟、LVCMOS 输出、模拟和数字测试多路复用器、复位信号、温度二极管等。每个引脚都有其特定的输入输出类型和功能描述，同时还给出了相应的走线长度要求。例如，D_AP(0) 和 D_AN(0) 是高速差分数据对车道 A0，走线长度分别为 16.24427mm 和 16.24426mm。

三、规格参数

3.1 绝对最大额定值

器件的绝对最大额定值规定了其在不同参数下的极限工作范围。例如，VDD（LVCMOS 核心逻辑和 LVCMOS 低速接口的电源电压）的范围为 -0.5V 至 2.3V，超出这些范围可能会导致器件永久性损坏。

3.2 存储条件

DMD 在作为组件或在系统中不工作时，其存储温度范围为 -40℃ 至 80℃，平均露点温度（非冷凝）不超过 28℃，在 28℃ 至 36℃ 的升高露点温度范围内的累积时间不超过 24 个月。

3.3 ESD 评级

该器件的人体模型（HBM）静电放电评级为 +2000V，带电设备模型（CDM）评级为 +500V。这表明在处理器件时，需要采取适当的静电防护措施，以避免静电对器件造成损坏。

3.4 推荐工作条件

为了使器件达到最佳性能，推荐的工作条件包括电源电压、输入电压、时钟频率、环境温度等。例如，VDD 的推荐范围为 1.71V 至 1.95V，HSSI 时钟频率（DCLK）为 1.2GHz 至 1.65GHz，阵列温度长期运行范围为 10℃ 至 40℃ 至 70℃（根据具体情况而定）。

3.5 热信息

DMD 设计为将吸收和耗散的热量传导到封装背面，冷却系统必须能够将 DMD 保持在推荐工作条件规定的温度范围内。总热负载主要由有源区域吸收的入射光决定，光学系统应尽量减少落在窗口透明孔径外的光能，以提高器件的可靠性。

3.6 电气特性

典型的电气特性包括各电源的电流和功率消耗。例如，IDD（VDD 的电源电流）典型值为 800mA 至 1200mA，PoD（VDD 的电源功率耗散）典型值为 1440mW 至 2437.5mW。

3.7 开关特性

开关特性描述了器件在信号切换时的性能，如输出传播延迟、压摆率和输出占空比失真等。例如，LS_RDATA 的压摆率在 20% - 80%、CL < 10pF 时为 0.5V/ns。

3.8 时序要求

不同接口（LVCMOS、LSIF、HSSI）的时序要求包括上升时间、下降时间、脉冲持续时间、建立时间和保持时间等。例如，HSSI 数据的上升时间从 -A1 到 A1 最小眼高规格为 50ps 至 115ps。

3.9 系统安装接口负载

在不同负载条件下，对电气和热接口区域施加的最大负载有明确规定。例如，当负载同时施加到电气和热接口区域时，最大负载为 111N；当仅施加到电气接口区域时，最大负载为 222N。

3.10 微镜阵列物理特性

微镜阵列具有特定的物理参数，如活动列数为 1920 个微镜，活动行数为 1080 个微镜，微镜间距为 5.4μm，活动阵列宽度为 10.368mm，活动阵列高度为 5.832mm，活动边界为每侧 20 个微镜的池塘状微镜（POM）。

3.11 微镜阵列光学特性

微镜倾斜角在不同器件之间存在一定的变化范围，最小为 15.6°，标称值为 17°，最大为 18.4°。在图像性能方面，对活动区域和 POM 中的亮像素、暗像素、相邻像素和不稳定像素等有相应的要求。

3.12 窗口特性

窗口材料为 Corning Eagle XG，在波长 546.1nm 处的折射率为 1.5119，在 420nm 至 680nm 波长范围内，单通透过两个表面和玻璃的最小透过率在 0° 至 30° 入射角时为 97%，30° 至 45° 入射角时平均为 97%。

3.13 芯片组组件使用规范

DLP471NE DMD 必须与适用的 DLP 芯片组的其他组件配合使用，包括包含或实现 TI DMD 控制技术的组件，以确保其可靠运行。

四、详细描述

4.1 概述

DMD 是一个 0.47 英寸对角线的空间光调制器，由高度反射的铝微镜阵列组成，是一个电输入、光输出的微光电机械系统（MOEMS）。其微镜的快速切换速度结合先进的 DLP 图像处理算法，可实现高达 240Hz 的帧速率显示。电气接口为低压差分信号（LVDS），微镜阵列由二维的 1 位 CMOS 存储单元组成。

4.2 功能框图

功能框图展示了 DMD 与 DLPC7540 显示控制器、DLPA100 电源管理和电机驱动器等组件之间的连接关系，有助于理解整个系统的工作原理。

4.3 特性描述

• 电源接口：DMD 需要 1.8V 源、VOFFSET、VRESET 和 VBIAS 四个直流电压。在典型配置中，DLPA100 电源管理和电机驱动器产生 3.3V，再通过 TI 电压调节器 TPS65145 产生 VOFFSET、VRESET 和 VBIAS。
• 时序：数据手册规定了器件引脚处的时序，但在进行输出时序分析时，需要考虑测试仪引脚电子设备及其传输线效应。建议系统设计人员使用 IBIS 或其他仿真工具将时序参考负载与系统环境进行关联。

4.4 器件功能模式

DMD 的功能模式由 DLPC7540 显示控制器控制，具体可参考 DLPC7540 显示控制器数据手册或联系 TI 应用工程师。

4.5 光学接口和系统图像质量考虑

• 数值孔径和杂散光控制：建议照明光学系统的数值孔径定义的光锥角与投影光学系统的数值孔径定义的光锥角相同，且不超过标称的器件微镜倾斜角，否则可能导致对比度下降和显示边界或活动区域出现不良伪像。
• 光瞳匹配：照明光学系统的出射光瞳应与投影光学系统的入射光瞳在 2° 范围内标称居中，否则可能需要额外的系统孔径来控制伪像。
• 照明过填充：设计照明光学系统时，应限制照射在窗口孔径上的光通量不超过活动区域平均通量水平的 10%，以避免窗口孔径边缘和其他表面异常产生的伪像。

4.6 微镜阵列温度计算

微镜阵列温度无法直接测量，需要通过测量陶瓷温度、结合封装的热阻以及电气和照明功率来计算。计算公式为 $T{ARRAY }=T{CERAMIIC }+left(Q{ARRAY } × R{ARRAY - TO - CERAMIC }right)$，其中 $Q{ARRAY }=Q{ELECTRICAL }+left(Q_{ILLUMINATION }right)$。

4.7 微镜功率密度计算

通过测量 DMD 上的总光功率、照明过填充百分比、活动阵列面积以及不同波长带的光谱比例，可计算出不同波长带的光功率密度。计算公式为 $ILL{UV}=left[OP{UV - RATIO } × Q{INCIDENT }right] × 1000mW / W ÷ A{ILL}$ 等。

4.8 微镜着陆/离开占空比

• 定义：微镜着陆/离开占空比表示单个微镜在 ON 状态和 OFF 状态的停留时间百分比，两者之和为 100%。
• 与 DMD 使用寿命的关系：长时间使 DMD 微镜阵列处于不对称的着陆占空比可能会降低 DMD 的使用寿命，因此了解产品或应用的长期平均着陆占空比很重要。
• 与 DMD 工作温度的关系：DMD 工作温度和着陆占空比相互影响 DMD 的使用寿命，推荐工作条件中的降额曲线规定了给定长期平均着陆占空比下的最大工作温度。
• 估算方法：在估算着陆占空比时，需要考虑图像的灰度值、颜色再现和图像处。

五、应用与实现

5.1 应用信息

DMD 作为空间光调制器，可将来自照明源的入射光反射到两个方向之一，主要方向是进入投影或收集光学元件。典型应用包括智能投影仪和企业投影仪。DMD 的上电和下电顺序由 DLPC7540 通过 TPS65145 PMIC 严格控制，为确保可靠运行，DLP471NE DMD 必须与 DLPC7540 控制器、DLPA100 PMIC/电机驱动器和 TPS65145 PMIC 配合使用。

5.2 典型应用

以激光荧光照明的典型显示系统为例，它由 DLP471NE DMD、DLPC7540 显示控制器、TPS65145 电压调节器和 DLPA100 PMIC 及电机驱动器组成。系统的其他核心组件包括照明源、照明和投影光学引擎、其他电气和机械组件以及软件。照明类型和所需亮度对整个系统的设计和尺寸有重大影响。

5.3 温度传感器二极管

DMD 内置了一个热二极管，可测量微镜阵列外芯片一角的温度。该热二极管可与 TMP411 温度传感器接口，软件应用可配置 TMP411 读取 DLP471NE DMD 温度传感器二极管的数据，用户可利用这些数据在系统设计中增加额外功能，如调节照明和风扇速度等。

六、电源供应建议

6.1 电源要求

DMD 正常运行需要 $V{ss}$、$V{BIAS}$、$V{DD}$、$V{OFFSET}$ 和 $V_{RESET}$ 等电源。电源的上电和下电顺序由 DLP 显示控制器严格控制，必须遵循电源供应顺序要求，否则可能影响器件的可靠性。

6.2 上电和下电过程

• 上电过程：$V{DD}$ 必须先启动并稳定，然后再施加 $V{OFFSET}$、$V{BIAS}$ 和 $V{RESET}$ 电压。$V{BIAS}$ 应在 $V{OFFSET}$ 上电后延迟 1 - 2ms 上电，$V{BIAS}$ 和 $V{RESET}$ 上电稳定 20μs 后，DMD_EN_ARSTZ 才能拉高。
• 下电过程：$V{OFFSET}$、$V{BIAS}$ 和 $V{RESET}$ 下电 50μs 后，$V{DD}$ 和 $V_{DDA}$ 才能下电。

七、布局设计

7.1 布局指南

DLP471NE DMD 所在的芯片组由 DLPC7540 显示控制器、TPS65145 PMIC 和 DLPA100 电源及电机控制器控制。建议使用全功率或迷你功率平面来提供 $V{OFFSET}$、$V{RESET}$ 和 $V{BIAS}$，使用实心接地平面（$V{SS}$）。PCB 的目标阻抗为 50Ω ±10%，推荐采用 10 层叠层结构，并使用高质量的 FR - 4 材料制造 PCB。

7.2 阻抗要求

大多数信号的 PCB 目标阻抗为 50Ω ±10%，但 DMD 高速数据信号和 DMD 低速接口信号的阻抗为 100Ω 差分（50Ω 单端）。

7.3 层叠结构

详细规定了 10 层 PCB 的层叠结构和每层的铜重量，每层都有其特定的功能，如信号层用于高速信号传输，接地层为信号层提供参考，电源层用于提供不同的电源电压。

7.4 走线宽度和间距

除特殊要求外，建议所有信号遵循 0.005”/0.015”（走线宽度/间距）的设计规则。对于一些关键信号，如 GND、$V{DD}$、$V{DDA}$、$V{OFFSET}$、$V{RESET}$ 和 $V_{BIAS}$，有特定的最小走线宽度和间距要求，并可能需要创建迷你平面。

7.5 电源布局

应避免在功率平面或与功率平面相邻的平面上进行信号布线，若必须布线，信号不得跨越功率平面的分割，以防止 EMI 并保持信号完整性。所有内部数字接地（GND）平面应尽可能多地连接，组件的电源和接地引脚应通过至少一个过孔连接到电源和接地平面，尽量减少组件电源和接地引脚的走线长度。

7.6 走线长度匹配建议

对于高速信号，如 HSSI 信号，应匹配走线长度，采用蛇形走线模式，尽量减少转弯次数，转弯角度不小于 45 度。同时，要尽量减少层间变化和过孔数量，当需要层间变化时，应在信号过孔周围放置 GND 过孔以提供信号返回路径。

八、器件和文档支持

8.1 第三方产品免责声明

TI 发布的与第三方产品或服务有关的信息不构成对其适用性或保修的认可。

8.2 器件支持

• 器件命名：介绍了器件的命名规则和标记方式，包括人类可读信息和二维矩阵代码，矩阵代码包含 DMD 部件号和序列号的部分信息。
• 静电放电警告：静电放电（ESD）可能会损坏集成电路，建议采取适当的预防措施处理所有集成电路，否则可能导致器件性能降级或故障。

8.3 文档支持

提供了与 DMD 相关的文档，如 DLPC7540 显示控制器数据手册、TPS65145 数据手册和 DLPA100 电源和电机驱动器数据手册。用户可通过在 ti.com 上注册接收文档更新通知。

8.4 支持资源

TI E2E™ 中文支持论坛是工程师获取快速、经过验证的解答和设计帮助的重要资源，但链接内容由贡献者“按原样”提供，不构成 TI 技术规范。

九、修订历史

文档记录了从不同版本修订过程中的变化，如添加 DLP 产品第三方搜索工具链接