电子工程师必备：MAX25221B详解

电子工程师必备：MAX25220/MAX25221/MAX25221B/MAX25221C详解

在汽车电子领域，TFT - LCD 显示屏的应用越来越广泛，其性能的优劣直接影响到驾驶员的体验和安全性。而电源管理芯片作为显示屏稳定运行的关键部件，其重要性不言而喻。今天，我们就来深入探讨一下 Analog Devices 推出的 MAX25220、MAX25221、MAX25221B 和 MAX25221C 这几款 4 通道 TFT - LCD 电源芯片。

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产品概述

MAX25220/MAX25221/MAX25221B/MAX25221C 这几款芯片主要用于为汽车 TFT - LCD 提供所需的电源。它们能够提供对称的正电压 AVDD 和负电压 NAVDD，同时还能提供 (V{GON}) 和 (V{GOFF}) 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，这使得芯片在不同温度环境下都能保持较好的性能。

芯片内部集成了非易失性存储器，这意味着所有输出的值可以在芯片的使用寿命内进行最多五次校准。编程是通过内置的 (I^{2}C) 接口完成的，该接口不仅可以用于编程，还能读取诊断信息。此外，芯片还支持独立运行模式，为不同的应用场景提供了更多的选择。

关键特性与优势

高度集成

• 电源输出丰富：采用同步升压转换器，能够提供 4.2V 至 10.5V 的 AVDD 电压，最大电流可达 200mA；同时，NAVDD 反相器输出电流最大可达 -200mA。通过调节电荷泵，能输出 15mA 的 (V{GON}) 电压（范围为 7.6V 至 20.2V）和 (V{GOFF}) 电压（范围为 -18.2V 至 -5.6V）。这样丰富的电源输出能够满足大多数 TFT - LCD 的需求。
• VCOM 缓冲器：MAX25221、MAX25221B 和 MAX25221C 中的 VCOM 缓冲器输出电压范围在 +1V 至 -2.49V 之间，调节步进为 6.83mV，并且集成了温度测量模块，可根据测量温度自动调整 VCOM 输出电压。这一特性有助于提高显示屏的显示质量，减少图像闪烁和色偏等问题。
• 控制与诊断：内置 (I^{2}C) 控制/诊断接口和 FLTB（中断）输出，能够对所有输出进行欠压诊断，方便工程师及时发现和解决问题。

低电磁干扰（EMI）

芯片支持 420kHz/2.1MHz 的开关频率，并具备扩频功能，能够有效降低电磁干扰，减少对周围电子设备的影响。

应用灵活

芯片支持非易失性输出电压设置，可对 AVDD/NAVDD、(V{GON})、(V{GOFF})、VCOM 等参数进行设置，并支持独立运行模式。这使得芯片在不同的应用场景中都能灵活配置，满足多样化的需求。

电气特性

在详细了解芯片的电气特性前，先来看一张参数对比表：

参数	条件	最小值	典型值	最大值	单位
IN 电压范围	-	2.65	-	5.5	V
IN 欠压锁定阈值（上升）	-	2.4	2.5	2.57	V
IN 欠压锁定滞后	-	-	100	-	mV
IN 关断电流	EN = GND，(V{IN}) = 3.3V，(T{A}) = +25°C	-	7	12	µA
IN 静态电流	(V{EN}) = (V{IN}) = 3.3V，无开关	-	1.5	2.5	mA
V18 输出电压	-	1.72	1.8	1.88	V
V18 电流限制	-	60	-	-	mA
V18 欠压锁定（上升）	-	1.6	1.65	1.7	V
V18 欠压滞后	-	-	150	-	mV

这只是部分电气特性的展示，从这些参数中可以看出芯片在电源输入、内部稳压等方面的性能表现。在实际应用中，工程师需要根据具体的设计要求，仔细研究这些参数，确保芯片能够稳定工作。

引脚配置与功能

芯片采用 32 引脚 TQFN 封装，不同型号的引脚配置略有差异。下面以 MAX25220 和 MAX25221/B/C 为例，介绍一下主要引脚的功能：

编程与控制引脚

• (V_{PROG})：编程电压引脚。在对非易失性寄存器进行编程时，需要在该引脚施加 8.5V 的电压；正常工作时，通过电阻连接到 GND。
• EN：使能输入引脚。当该引脚为低电平时，芯片进入关断状态；为高电平时，芯片激活。在独立运行模式下，EN 引脚变为高电平时，输出将按照存储的顺序开启。
• ADD：设备地址选择引脚。连接到 GND 或 V18 可以选择设备的 (I^{2}C) 地址。如果要使用独立运行模式（不使用 (I^{2}C)），则让该引脚浮空，此时当 EN 引脚变为高电平时，设备将按照编程的顺序开启所有输出。

电源与信号引脚

• IN 和 INN：分别为显示偏置电路的电源连接和反相转换器的输入，需要分别连接合适的电容到地，以确保芯片的稳定工作。
• V18：内部 1.8V 稳压器的输出，需要连接一个 1μF 的电容到 GND。
• BST：同步整流驱动器的自举电容连接，需连接一个 0.1μF 的陶瓷电容到 LXP。
• AVDD 和 NAVDD：分别为升压转换器的开关输出和负源极驱动器输出电压，需要连接相应的旁路电容到地。
• (V{GON}) 和 (V{GOFF})：分别为正电荷泵模块和负电荷泵模块的输出，需要分别连接一个 1μF 的电容到 GND。
• SDA 和 SCL：双向 (I^{2}C) 数据引脚和 (I^{2}C) 时钟引脚，用于与控制器进行通信。
• FLTB：开漏、低电平有效故障输出引脚。在独立运行模式下，该引脚的占空比可以指示错误状况；使用串行接口时，该引脚为 0 表示有数据需要从内部寄存器读取，为 1 表示正常。

工作模式与功能

上电状态

芯片上电后处于低静态电流模式，直到 EN 引脚变为高电平。当 EN 引脚变为高电平且 IN 引脚的电源电压超过欠压锁定电压 2.5V 时，1.8V 稳压器开启，芯片在延迟 1ms 后开始正常工作。后续的操作取决于芯片的配置和类型。

开关频率设置

通过 CONFIG 寄存器中的 fSW 位可以设置升压和反相转换器以及电荷泵的开关频率。当 fSW 为 0 时，开关频率为 2.1MHz；当 fSW 为 1 时，开关频率为 420kHz。此外，还可以通过 en_ss 位开启扩频功能，以改善 EMI 性能。

独立运行模式

当芯片已经完成编程后，可以使用独立运行模式。在该模式下，只需将电源施加到芯片上，并将 EN 引脚变为高电平，芯片就会按照预先编程的值启动。此时，需要让 ADD 引脚浮空。

(I^{2}C) 只读模式

对于 MAX25221B/C 型号，当电源施加且 EN 引脚变为高电平时，芯片会立即以预先编程的值启动。如果 ADD 引脚连接到 V18，(I^{2}C) 接口将处于只读模式，只能用于读取设备寄存器。

电源供应与时序控制

源极驱动器电源供应

AVDD 和 NAVDD 电源是芯片为 TFT - LCD 源极驱动器提供的重要电源。AVDD 升压转换器是一个电流模式转换器，具有两个内部开关和内部补偿功能，其直接输出为 HVINP，而 AVDD 是开关输出版本。NAVDD 转换器同样是电流模式转换器，具有一个内部开关、一个外部二极管和内部补偿功能。需要注意的是，AVDD 和 NAVDD 的电压是自动紧密调节的，NAVDD 的绝对值与 AVDD 相等，且不能独立于 AVDD 进行调整。

栅极驱动器电源供应

正栅极驱动器电源 (V{GON}) 是一个稳压电荷泵三倍器，能够产生高达 +20.2V 的电压，其最大输出电压为 3 x AVDD - (R{ON TOTAL}) x (I{V{GON}}) x K（其中 (R_{ON TOTAL}) 通常为 30Ω，K 为 0.75）。如果使用两倍电荷泵就足够满足需求，可以设置 cp2stage 位，并让引脚 FC1 - 和 FC1 + 浮空，以提高效率。负栅极驱动器电源 (V{GOFF}) 能够产生最大 -18.2V 的负电压，需要外部二极管和电容的支持。(V{GON}) 和 (V{GOFF}) 的调节电压可以通过 (I^{2}C) 接口写入 vgon[5:0] 和 vgoff[5:0] 值来设置，并可以存储在寄存器的非易失性部分。

时序控制

电源的上电和下电序列由 VCOM_L 寄存器中的 seq_set[2:0] 位控制。在执行序列之前，需要先写入设置，并且在开启或关闭序列期间不能更改。以下是一些可用的序列选项：

序列编号	seq_set2	seq_set1	seq_set0	上电顺序	下电顺序（上电顺序的反转）	备注
1	0	0	0	AVDD、NAVDD、(V{GOFF})、(V{GON}) / VCOM	(V{GON}) / VCOM、(V{GOFF})、NAVDD、AVDD	-
2	0	0	1	AVDD、NAVDD、(V{GON})、(V{GOFF}) / VCOM	(V{GOFF}) / VCOM、(V{GON})、NAVDD、AVDD	-
3	0	1	0	NAVDD、AVDD、(V{GOFF})、(V{GON}) / VCOM	(V{GON}) / VCOM、(V{GOFF})、AVDD、NAVDD	默认设置

这些序列中的时间由 DELAY - VCOM_LSB 寄存器中的 delayt1、delayt2 和 delayt3 设置确定。将延迟设置为 0 可以获得最快的上电速度。在掉电序列中，输出电压不会被监控，每个输出将按照编程的延迟依次关闭。当延迟设置为 0 时，输出将以 1ms 的延迟依次关闭。序列可以通过写入 burn_otp_reg 寄存器存储在非易失性存储器中。电源下电序列完成 200ms 后，V18 线性稳压器将关闭，此时芯片处于关断模式，可以通过将 EN 输入设置为高电平来重新启动。

VCOM 缓冲器相关功能

VCOM 输出电压编程

VCOM 输出电压可以通过 (I^{2}C) 编程设置在 -2.49V 至 +1V 之间的某个值，这个 9 位的值也可以存储在非易失性存储器中。VCOM 电压设置的最高有效位在 VCOM25 寄存器中，最低有效位是 DELAY - VCOM_LSB 寄存器中的 vcom25_0 位。

VCOM 故障检测

VCOM 缓冲器能够输出高达 ±120mA 的峰值电流。如果 VCOM 输出电压与设定值偏差超过 0.25V，将检测到 VCOM 故障，并在 FAULT2 寄存器中通过 vcomflt 位进行标记。当检测到故障时，VCOM 缓冲器仍会继续工作，但可能会导致高功耗，甚至可能导致整个设备热关断。如果 VCOM 缓冲器连续处于电流限制状态的时间超过 tfault[1:0] 设置的时间，它将与 AVDD、NAVDD、(V{GON}) 和 (V_{GOFF}) 输出一起被禁用，以避免损坏 IC。在这种情况下，vcom_flt 位也会被设置。

VCOMN 负电源

通过一个线性稳压器从 NAVDD 电源中导出一个稳压的 -3.5V 电压，为 VCOM 缓冲器供电。连接到 VCB 引脚的 npn 晶体管作为稳压器的传输晶体管，其峰值输出电流与 VCOM 输出的峰值负驱动电流相同，至少为 120mA。设备会检测 VCOMN 处的电压，并通过驱动 VCB 将其调节到 -3.5V，外部 npn 基极的峰值驱动电流至少为 5mA。

VCOM 电压范围限制与温度补偿

当温度补偿功能未启用时，可以通过 VCOM_MIN 和 VCOM_MAX 寄存器将 VCOM 的波动范围限制在设定的值之间。如果试图向 VCOM25 写入超出设定范围的值，VCOM 输出电压将不会更新，并且 (I^{2}C) 接口会发出 NACK。VCOM 输出电压可以根据温度变化进行补偿，可以使用连接到 TEMP 输入的温度敏感组件（如 NTC 热敏电阻）或内部温度传感器。通过 CONFIG 寄存器中的 int_sensor 位选择要使用的传感器（默认配置为使用外部传感器）。TEMP 引脚被强制设置为 625mV，从该引脚汲取的电流会被镜像到 RREF 引脚，RREF 引脚上的电阻产生的电压会被输入到内部 8 位 ADC 中，ADC 的参考电压为 1.25V。通过设置 DELAY - VCOM_LSB 寄存器中的 T_comp_en 位可以启用温度补偿功能。启用后，RREF 引脚上的电压将被测量，VCOM 输出电压将以 1Hz 的速率更新。在启动时，即使启用了温度补偿功能，由于需要时间来采样温度，补偿功能会有一定的延迟才会生效，因此设备总是以 VCOM25 寄存器中的电压值启动 VCOM。

故障处理与非易失性存储器

故障处理

芯片对故障的反应取决于其工作模式是 (I^{2}C) 模式还是独立运行模式。在 (I^{2}C) 模式下，如果未屏蔽以下故障，会导致 FLTB 引脚拉低：avdd_uv、navdduv、(v{gon})uv、(v{goff})_uv、vcom_flt、nv_flt、th_shdn、vin_uvlo 和 par_err。th_warn 故障默认是屏蔽的，需要通过 th_warnmask 位显式启用。当 ADD 引脚浮空（不使用 (I^{2}C) 接口）时，FLTB 引脚会根据检测到的故障输出不同占空比的脉冲序列，例如 (V{GON}) 或 (V_{GOFF}) 故障时占空比为 75%，AVDD、NAVDD 或 HVINP 故障时占空比为 50%，VCOM 故障时占空比为 25%，NV 故障或热关断时占空比为 0%（持续低电平）。当检测到多个故障时，会指示优先级最高的故障。

非易失性存储器

MAX25220/MAX25221/MAX25221B/MAX25221C 包含六个一次性可编程存储器块，用户可以将从 0x07 到 0x15 的易失性寄存器块存储在非易失性存储器中，该存储器映射到寄存器位置 0x17 到 0x25。在对非易失性存储器进行编程之前，读取 0x17 到 0x25 位置会得到结果 0xFF。非易失性存储器的内容通过单错误纠正/双错误检测（SECDED）冗余代码进行保护，从非易失性存储器到寄存器 0x07 到 0x15 的数据传输通过奇偶校验进行保护。如果奇偶校验失败，会进行两次重试；如果三次尝试均不成功，设备将无法启动，nv_flt 位会被设置，FLTB 引脚会拉低。如果 SECDED 检查失败，也会出现相同的情况。如果没有错误，输出将以存储的值和存储的序列开启。要将寄存器 0x07 到