MAX25560：六通道LED背光驱动的技术解析与应用指南

在汽车显示等领域，LED背光驱动的性能对于显示效果起着关键作用。今天我们就来详细剖析Analog Devices的MAX25560，一款六通道LED背光驱动与升压控制器的集成芯片。

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产品概述

MAX25560是一款具备集成电流模式升压控制器的六通道LED背光驱动器。它的开关频率范围在400kHz至2.2MHz之间，还集成了扩频功能，可有效降低电磁干扰（EMI）。输出通道可选相移功能进一步增强了其在EMI抑制方面的表现。每个通道能够提供高达220mA的电流，凭借独特的输入电压切换方案，即使在极低的电池电压下也能稳定工作。该芯片拥有广泛的诊断功能和I2C接口，采用紧凑的TQFN封装，工作温度范围为 -40°C至 +125°C。

应用场景

• 汽车仪表盘：为仪表盘提供稳定、均匀的背光，确保在各种环境下都能清晰显示信息。
• 汽车中央信息显示屏：满足高分辨率显示屏的背光需求，提升显示质量。
• 汽车抬头显示：为抬头显示系统提供可靠的背光支持。

优势与特性

• 宽输入电压范围：电池输入低至3V时仍能维持5V栅极驱动，适应不同的电源环境。
• 灵活的工作模式：升压或SEPIC电流模式DC - DC控制器，可根据具体应用选择合适的拓扑结构。
• 频率范围与扩频：400kHz至2.2MHz的工作频率范围，可选扩频功能，降低EMI。
• 高输出电流与低调节电压：每串高达220mA的输出电流，低OUT_调节电压，保证LED的稳定工作。
• 多模式调光：支持高达16667:1的调光比，具备外部或内部（I²C）调光以及混合调光模式。
• 集成电荷泵：驱动串联nMOSFET，简化电路设计。
• 温度保护：通过外部NTC温度传感器实现温度折返功能，保障芯片在高温环境下的可靠性。
• 快速启动：可通过EN引脚实现无需I2C干预的快速启动。
• 丰富的诊断功能：FLTB输出提供多种诊断信息，如LED短路、开路、输入过流等。

电气特性

电源相关

• BATT工作电压范围：正常工作时为4.5V至36V，启动后在100ms的最大持续时间内可低至3V。
• BATT静态电流：无开关时典型值为2.3mA，关断时为4μA至10μA。
• BATT欠压锁定：上升阈值为4.1V至4.35V，下降阈值为2.77V至2.95V。

调节器相关

• V18调节器：输出电压在无负载时为1.72V至1.88V，电流限制为50mA，欠压锁定阈值为1.6V至1.7V。
• V5调节器：输出电压在特定条件下为4.8V至5.2V，压降为0.18V至0.3V，欠压锁定阈值为3.75V至4.05V。

其他特性

• 振荡器频率：可编程范围为400kHz至2200kHz，可通过RT引脚连接的电阻进行设置。
• 频率抖动：高设置时为±6%，低设置时为±4%。
• 同步功能：可与外部时钟同步，同步频率范围为400kHz至2200kHz。

功能详解

欠压锁定

芯片具备三个欠压电路，分别监测BATT的输入电压以及V5和V18内部LDO稳压器的输出。只有当BATT、V5和V18超过各自的欠压锁定（UVLO）阈值时，背光升压功能才能启用。

低压运行

在升压软启动完成后，即使BATT电压低于5V，MAX25560仍能继续工作，并维持NDRV处外部MOSFET的5V驱动。当BATT电压降至VBATT_LVF时，V5稳压器将输入从BATT切换到BOOST，升压转换器的电流限制自动增加到VCSP_LV，若开关频率大于1.4MHz则会降低。只要BOOST上的电压高于VBATT_LVF，切换就会发生。在这种模式下，如果连续四个周期超过标准电流限制，将启动一个100ms的定时器，定时器到期后电流限制恢复到原始值。

输入电流监测

通过在BATT和SENSE之间连接外部感测电阻实现输入过流保护。在启动的2ms NGATE开启阶段后，如果感测电阻两端的电压超过200mV且持续时间大于4μs，升压转换器将被锁定关闭，DIAG2_REG寄存器中的ISNS_SD位将被设置，FLTB引脚将被拉低。可通过设置DIS_ISNS_SD位为1来禁用此关机功能，此时检测到输入过流时设备将继续运行，ISNS_SD位被设置，但FLTB不会拉低。要重新启用设备，可切换电源、EN输入引脚或ENA位。

振荡器频率与外部同步

内部振荡器频率可通过连接在RT引脚和GND之间的定时电阻（RRT）在400kHz至2.2MHz之间进行编程。计算公式为： [R{R T}=frac{26130}{f{S W}}+0.33] 其中 (R{RT}) 单位为kΩ， (f{SW}) 单位为kHz。若RT电阻值过低或引脚短路到GND，升压转换器将无法启动，FLTB引脚将变低。 要将振荡器与外部时钟同步，需将外部时钟AC耦合到RT输入，AC耦合电容值为 (C_{SYNC }=10 pF) ，外部时钟的占空比应为50%。在启动时，不要将同步信号施加到RT引脚，以免导致RT电阻值检查失败。在低输入电压且开关频率高于1MHz时，开关频率会自动降低，以实现高占空比操作并维持输出电压调节，同步到外部频率时同样适用。

扩频功能

芯片包含扩频调制功能，可降低开关频率及其谐波处的峰值电磁干扰（EMI）。可通过SETTING_REG寄存器中的SS_OFF位启用和禁用扩频功能。扩频采用伪随机抖动技术，根据SSL位的设置，开关频率在94%至106%或96%至104%的编程开关频率范围内变化。使用扩频时，基波和各谐波的总能量分布在更宽的带宽上，从而降低了相关频率处的峰值能量。若使用外部同步，则禁用扩频功能。

LED电流控制

芯片具有六个相同的恒流源，用于驱动多个高亮度LED串。每个通道的电流可通过设置ISET_REG寄存器中的7位值iset[6:0]在34.5mA至225mA之间进行调节。为加速设备启动，可通过在ISET引脚和GND之间连接电阻来设置初始LED电流。当EN引脚拉高时，设备立即启动，ISET引脚上电阻确定的电流值将加载到ISET_REG寄存器的iset[6:0]字段中，并可随后通过I2C接口进行调整。多个通道可并联以提供超过225mA的串电流。

电流模式DC - DC控制器

该设备采用恒频电流模式控制器，可在升压或SEPIC配置下驱动LED。芯片具有多环控制功能，用于调节电感中的峰值电流以及LED电流吸收器两端的电压，以最小化功耗。采用可编程斜率补偿来避免在连续导通模式下占空比大于50%时可能出现的次谐波振荡。 在每个开关周期开始时，外部nMOSFET开启，电感电流线性上升，直到达到反馈回路设置的峰值电流水平时关闭。峰值电感电流通过连接在外部nMOSFET源极和PGND之间的电流感测电阻（RCS）两端的电压进行感测。芯片具有前沿消隐功能，以抑制外部nMOSFET的开关噪声。PWM比较器将电流感测电压加上斜率补偿信号与跨导误差放大器的输出进行比较，当CSP处的电压超过误差放大器的输出电压（COMP引脚处）时，控制器关闭外部nMOSFET，此过程在每个开关周期重复，以实现峰值电流模式控制。 除了峰值电流模式控制回路外，芯片还有另外两个反馈回路用于控制。转换器输出电压通过BSTMON输入进行感测，该输入连接到误差放大器的反相输入。BSTMON增益（AOVP）定义为VOUT/VBSTMON，即 (R17 + R16)/R16。另一个反馈来自OUT_电流吸收器，该回路控制电流吸收器的裕量电压，以最小化总功耗，同时确保准确的LED电流。每个电流吸收器都有一个窗口比较器，低阈值为0.58V，高阈值为0.85V，这些比较器驱动逻辑来控制一个上下计数器，上下计数器在DIM输入的每个下降沿更新，并驱动一个8位数模转换器（DAC），该DAC设置误差放大器的参考值。

9位DAC

误差放大器的参考输入由一个9位DAC控制。在启动期间，DAC输出逐渐上升以实现软启动功能。在正常运行期间，DAC输出范围限制在0.482V至0.996V之间。由于在正常运行期间DAC输出不低于0.482V，因此输出的过压阈值应设置为小于最小LED正向电压的两倍。DAC的LSB根据以下公式确定最小输出电压步长： [V_{STEPMIN }=V{D A C{L S B}} × A{O V P}] 其中 (V_{STEPMIN}) 是最小输出电压步长， (V{DAC{LSB}}) 典型值为1.95mV， (A{OVP}) 是BSTMON电阻分压器增益（1 + R6/R7）。

启动序列

升压转换器的启动序列分为三个阶段：

• 阶段1：ENA位设置为1后，若V5和BATT电压超过各自的欠压阈值，控制器将开启外部nMOSFET的NGATE电荷泵，电荷泵的输出电流对外部nMOSFET的栅极充电，使其开启。2ms超时后，启动阶段2。若不使用NGATE，可通过设置DISABLE_REG寄存器中的CP_DIS位来禁用NGATE电荷泵。
• 阶段2：外部MOSFET在NGATE上启用后，芯片进行上电检查，包括未使用串检测和OUT_短路到地检测。若检测到任何OUT_短路到地，转换器将不启动。检测到未使用的电流吸收器将被禁用，以防止在正常运行期间误报故障标志。检查完成后，转换器开始运行，输出电压开始上升。误差放大器的DAC参考值逐步增加，直到OVP引脚达到0.48V（快速启动模式下为0.88V）。此阶段持续时间固定为约50ms（快速启动模式下为22ms）。
• 阶段3：第二阶段完成且DIM输入变高时，第三阶段开始。在阶段3中，转换器的输出进行调整，直到最小OUT电压落在窗口比较器的0.58V（典型值）和0.85V（典型值）限制范围内。输出斜坡再次由DAC控制，DAC为误差放大器提供参考值。DAC输出在DIM输入的每个上升沿更新。若DIM输入为100%占空比（DIM = 高），则DAC输出每10ms更新一次。 在慢速启动模式下，总软启动时间可使用以下公式计算： [t{S S}=50 m s+frac{V{L E D}+0.87-(0.48× A{O V P})}{f{D I M} × 0.01 × A{O V P}}] 其中 (t{SS}) 是总软启动时间，50ms是固定的阶段1持续时间， (V{LED}) 是LED串的总正向电压，0.81V是窗口比较器的中点， (A{OVP}) 是OVP电阻分压器的增益， (f{DIM}) 是调光频率（若DIM输入占空比为100%，使用100Hz），0.01V是DAC每个时钟周期的最大电压步长。

调光功能

基本调光方式

调光可通过将外部PWM信号施加到DIM引脚或写入TONn_REG寄存器（n为OUT_引脚编号，需先将DIM_EXT位设置为0）来实现。当TON_ALL位设置为1时，TON1_值将用于所有活动输出。DIM引脚的信号由20MHz内部时钟采样，除非禁用相移，此时DIM信号直接控制OUT_输出。

低调光模式

当调光脉冲非常窄时，芯片进入低调光模式，以确保LED的调光响应一致。若调光导通时间低于50μs（典型值），设备进入低调光模式（由LO_DIM寄存器中的位指示）。在此状态下，转换器持续开关，LED短路检测被禁用。当DIM输入大于51μs（典型值）时，设备返回正常运行，启用短路LED检测，仅在有效调光信号为高时切换功率FET。

相移调光

当SET_REG寄存器中的PSEN位设置为1时，启用LED串的相移功能。为此，DIM信号由20MHz时钟内部采样，设备根据启用的串数自动设置串之间的相移值。启用相移时，采样的DIM输入用于为每个LED串生成单独的相移调光信号。DIM信号的捕获分辨率在较高的DIM输入频率下会降低，因此建议调光频率在100Hz至3kHz之间，尽管技术上可以使用更高的调光频率。串之间的相移由以下公式确定： [Theta=360 / n] 其中n是使用的串总数，θ是相移角度（度）。

自动淡入/淡出

通过将FADING_REG寄存器中的FADE_IN_OUT位设置为1，可配置设备在DIM输入占空比或TON_设置更改时实现亮度的平滑变化。使用淡入功能时，在进入100%占空比时保持DIM频率恒定非常重要，以避免错误的频率测量，从而影响淡入速度。

禁用单个串

要禁用未使用的LED串，可通过9.1kΩ电阻将未使用的OUT_连接到地，或在设置ENA位之前将DISABLE寄存器中相应的DIS_位设置为1。在启动期间，设备通过OUT_引脚提供60μA（典型值）电流并测量相应的电压。为了正确禁用串，在检查期间OUT_电压应在VOUT_GND的最大值和VOUT_UN的最小值之间。注意，禁用未使用的串时，应先禁用编号最高的电流吸收器（例如，若需要禁用两个串，应禁用OUT6和OUT5，而不是随机禁用两个串）。在正常运行期间，可通过将相应的TON_设置更改为0来选择性地关闭串，这仅在使用内部调光时可行（而不是使用DIM输入引脚）。

混合调光

要启用混合调光模式，需设置IMODE_REG寄存器中的HDIM位。在混合调光模式下，外部LED首先通过降低电流进行调光，当调光占空比从100%减小时，在由HDIM_THR_1_0[1:0]位设置的交叉点，调光过渡到PWM调光，此时LED电流被斩波。根据DIM_EXT位的设置，设备有两种工作方式：

• 若DIM_EXT = 1，测量DIM引脚的占空比并将其转换为组合的LED电流值和PWM设置。
• 若DIM_EXT = 0，从TON1寄存器获取18位值并将其转换为组合的LED电流值和PWM设置。

温度折返

在独立模式下，当NTC温度传感器连接在GND和连接到V18电源的电阻（RT1）之间，并且另一个电阻（RT2）从NTC和RT1的连接点连接到TEMP引脚时，实现温度折返功能。当温度达到由RT1设置的温度T1时，LED中的电流根据线性方案降低。电流降低的斜率由RT2设置。MAX25560特别设计用于与NTCLE100E3或类似的NTC设备配合使用。

诊断与保护功能

故障输出与屏蔽

当检测到故障时，开漏故障标志输出（FLTB）变低。可使用MASK1和MASK2寄存器中的位抑制某些故障导致FLTB变低。若未屏蔽，以下故障会使FLTB拉低：OUT_开路、短路LED或短路到地；RT超出范围、IREF超出范围、ISET超出范围；升压欠压、V18超出范围、V5超出范围；BATT欠压、升压输入过流；过热警告。

开路LED管理与过压保护

升压转换器软启动后，芯片检测开路LED串，并将任何此类串与内部最小OUT_电压检测器断开，以保持DC - DC转换器输出电压在正确范围内并维持高效率。检测到开路的串中的电流不会由ADC测量，读数为零。在正常运行期间，DC - DC转换器输出调节回路使用最小OUT_电压作为反馈输入。若任何LED串开路，开路OUT处的电压将变为VLEDGND，DC - DC转换器输出电压将增加到由连接在转换器输出、BSTMON输入和GND之间的分压器网络设置的过压保护阈值。DC - DC转换器输出的过压保护阈值使用以下公式确定： [V{OUT }=0.95 timesleft(1+frac{R