LM36922H：高效双串白光 LED 驱动芯片的深度解析

在电子工程师的日常设计工作中，为 LCD 显示屏背光选择合适的 LED 驱动芯片至关重要。今天，我们就来详细探讨一下 Texas Instruments 推出的 LM36922H 这款超紧凑、高效的双串白光 LED 驱动芯片。

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一、产品概述

1.1 基本信息

LM36922H 是一款专为 LCD 显示背光设计的芯片，它可以为一到两串白光 LED 供电。该芯片工作在 2.5 - 5.5V 的输入电压范围内，并且能够在 -40°C 到 +85°C 的温度范围内稳定运行。其采用 12 引脚的 DSBGA 封装，尺寸仅为 1.756 mm × 1.355 mm，十分小巧，适合应用于对空间要求较高的设备，如智能手机和平板电脑。

1.2 关键特性亮点

• 精准的电流匹配和控制：在不同的工艺、电压和温度条件下，都能实现 1% 的匹配电流沉和 3% 的电流沉精度，确保每串 LED 的亮度均匀一致。同时，具有 11 位的调光分辨率，能够实现非常细腻的亮度调节。
• 高转换效率：解决方案效率最高可达 90%，这意味着在为 LED 供电时，能够有效减少能量损耗，降低设备的功耗。
• 灵活的驱动能力：可以驱动一到两串并行的 LED，每串电流可达 25 mA，输出电压最高可达 38 V，满足多种不同的 LED 配置需求。
• 丰富的调光和控制方式：支持 PWM 调光输入，并且可以通过 I²C 接口进行编程，用户可以根据实际需求灵活选择控制方式。
• 可调节的开关频率：提供 500 - kHz 和 1 - MHz 两种可选的开关频率，还可以选择 -12% 的频率偏移，同时具备自动开关频率模式（250 - kHz、500 - kHz、1 - MHz），能够根据负载电流自动调整频率，优化效率。
• 完善的保护功能：具有四种可配置的过压保护阈值（17 - V、24 - V、31 - V、38 - V）和过流保护阈值（750 - mA、1000 - mA、1250 - mA、1500 - mA），以及热关断保护功能，确保芯片在各种异常情况下都能安全稳定地工作。
• 可选择的 I²C 地址：通过 ASEL 输入引脚，可以外部选择两种 I²C 地址选项，方便在同一系统中使用多个芯片。

二、引脚配置与功能

2.1 引脚布局

LM36922H 采用 12 引脚的 DSBGA 封装，其引脚布局经过精心设计，以方便与其他电路元件进行连接。每个引脚都有特定的功能，包括 LED 电流输入、I²C 接口、PWM 控制、硬件使能等。

2.2 主要引脚功能解释

• LED1 和 LED2：分别是两个电流沉的输入引脚，用于连接 LED 灯串。芯片的升压转换器会将这两个引脚之间的最小电压调节到 VHR。
• ASEL：逻辑输入引脚，用于选择两种 I²C 地址选项。当该引脚接地时，I²C 地址为 0x36；当该引脚接高电平时，I²C 地址为 0x37。
• SDA 和 SCL：I²C 接口的数据输入/输出和时钟输入引脚，通过这两个引脚可以与其他 I²C 设备进行通信，实现对芯片的编程和配置。
• PWM：逻辑电平输入引脚，用于进行 PWM 电流控制，通过调节 PWM 信号的占空比，可以实现对 LED 亮度的调节。
• HWEN：硬件使能输入引脚，当该引脚为高电平时，芯片被使能，可以进行 I²C 写入或 PWM 控制；当该引脚为低电平时，芯片进入低功耗关机模式。

三、电气特性与性能指标

3.1 绝对最大额定值

芯片的各个引脚都有明确的绝对最大额定值，例如输入电压范围为 -0.3 - 6 - V，输出过压检测输入为 -0.3 - 40 - V 等。在设计电路时，必须确保各个引脚的电压和电流不超过这些额定值，否则可能会导致芯片永久性损坏。

3.2 ESD 额定值

该芯片具有一定的静电放电（ESD）防护能力，人体模型（HBM）的 ESD 额定值为 ±2000 - V，带电设备模型（CDM）的 ESD 额定值为 ±500 - V。在实际使用过程中，还是需要采取适当的 ESD 防护措施，以避免芯片受到静电损坏。

3.3 推荐工作条件

为了确保芯片能够正常、稳定地工作，推荐的输入电压范围为 2.5 - 5.5 - V，过压检测输入为 0 - 38 - V 等。在设计电源电路时，应该尽量满足这些推荐工作条件。

3.4 典型电气特性

• 电流匹配和精度：在 50 - µA 到 25 - mA 的 LED 电流范围内，LED 电流匹配精度可达 ±1%，绝对精度可达 ±3%，确保了 LED 灯串之间的亮度一致性。
• 开关频率：可选择 500 - kHz 和 1 - MHz 的开关频率，并且可以选择 -12% 的频率偏移，以满足不同的应用需求。
• 效率：在典型应用电路中，当输入电压为 3.7 - V，每串 LED 电流为 5 - mA 时，效率可达 86%，具有较高的能量转换效率。
• 其他特性：还包括 NMOS 开关导通电阻、过流保护阈值、过压保护阈值、热关断温度等特性，这些特性共同保证了芯片的性能和可靠性。

四、功能特性详解

4.1 使能与启动

芯片通过 HWEN 引脚进行使能和禁用控制。当 HWEN 为低电平时，芯片处于禁用状态，进入低功耗关机模式；当 HWEN 为高电平时，芯片被使能。每个电流沉都有单独的使能输入，支持单串或双串 LED 应用。默认情况下，两个灯串都被使能。在芯片启动时，可以通过设置芯片使能位、PWM 输入或写入亮度寄存器来控制 LED 的亮度。

4.2 亮度映射方式

芯片支持线性和指数两种亮度映射方式：

• 线性映射：LED 电流与 11 位亮度代码成比例关系，计算公式为 (I_{LED}=37.806 mu A + 12.195 mu A × Code)，适用于需要精确控制亮度变化的应用场景。
• 指数映射：LED 电流遵循指数关系 (I_{LED}=50 mu A × 1.003040572^{Code})，每个代码对应的 LED 电流步长约为 0.304%，能够实现平滑的亮度变化，视觉效果更佳。

4.3 PWM 输入特性

• 采样输入：PWM 输入是一个采样输入，能够将输入的占空比信息转换为 11 位的亮度代码，有效消除了传统 PWM 控制 LED 驱动器中常见的噪声和电流纹波问题。
• 采样频率选择：支持四种可选的采样率，选择采样率需要综合考虑所需的 PWM 分辨率、PWM 输入频率和效率等因素。较低的采样率可以降低芯片的静态工作电流，提高效率，但可能会影响 PWM 分辨率。
• 滞回设置：为了防止 PWM 信号的抖动影响 LED 电流，芯片提供了七种可选的滞回设置，通过设置滞回值，可以确保在输入占空比发生变化时，LED 电流不会出现不必要的振荡。
• 超时功能：当 PWM 信号被启用但没有检测到 PWM 脉冲时，芯片的 PWM 超时功能会关闭升压输出，以节省能量。超时时间根据所选的 PWM 采样率而定。

4.4 LED 电流斜坡

芯片提供 8 种可编程的斜坡速率，用于控制 LED 电流从一个设定点到另一个设定点的变化时间。斜坡时间取决于电流之间的代码步数和编程的每步时间，通过合理设置斜坡速率，可以实现平滑的亮度渐变效果，避免亮度突变对人眼造成的不适。

4.5 调节的裕量电压

为了优化效率、电流精度和灯串间的匹配，LED 电流沉的调节裕量电压（VHR）会根据目标 LED 电流进行变化。升压转换器会将电压最高的 LED 灯串的阴极作为调节点，确保两个电流沉在任何情况下都能保持稳定的电流输出。

4.6 亮度控制模式

芯片具有四种亮度控制模式：

• 仅 I²C 模式：LED 电流由 I²C 亮度寄存器控制，PWM 输入被禁用。在这种模式下，需要依次写入 3 位 LSB 和 8 位 MSB 来实现 11 位电流的完整变化。
• 仅 PWM 模式：LED 亮度仅由 PWM 输入信号控制，I²C 代码被忽略。芯片会对 PWM 输入信号进行采样，将其占空比转换为 11 位数字代码，然后应用到内部的斜坡器。
• I²C × PWM 后斜坡模式：I²C 亮度代码与 PWM 占空比相乘得到一个 11 位代码，然后将该代码发送到斜坡器进行电流调节，在 I²C 和 PWM 电流变化之间实现斜坡效果。
• I²C × PWM 前斜坡模式：在这种模式下，I²C 亮度代码和 PWM 占空比的处理顺序与上一种模式不同，同样可以实现亮度的平滑调节。

4.7 自动开关频率

芯片具有自动开关频率功能，能够根据负载电流的大小自动调整升压开关频率。除了可通过寄存器编程的 500 - kHz 和 1 - MHz 开关频率外，自动频率模式还包含 250 - kHz 的低频选择。通过设置自动频率高阈值和低阈值寄存器，可以实现不同频率之间的切换，以优化效率。

4.8 I²C 地址选择

通过 ASEL 引脚可以选择两种 I²C 从地址选项，当 ASEL 接地时，从地址为 0x36；当 ASEL 接输入电压（VIN）时，从地址为 0x37。该引脚在电源上电时（VIN > 1.8 - V 且 HWEN > 高电平阈值电压）被读取，上电后不能再更改。

4.9 故障保护与检测

• 过压保护（OVP）：提供四种可配置的 OVP 阈值（17 - V、24 - V、31 - V、38 - V），用于监测升压输出电压，防止在开路负载或 LED 灯串电压过高的情况下，OUT 和 SW 引脚的电压超过安全工作范围。当检测到过压情况时，会根据不同的条件采取相应的保护措施，如禁用升压电路、设置故障标志等。
• LED 灯串故障检测：能够检测 LED 灯串的开路和短路故障。当检测到 LED 灯串开路时，芯片会设置相应的故障标志；当检测到 LED 灯串短路时，也会及时发出警报。
• 过流保护（OCP）：具有四种可选择的 OCP 阈值（750 - mA、1000 - mA、1250 - mA、1500 - mA），采用逐周期电流限制方式。当检测到过流情况时，内部的 NFET 会在当前开关周期内关闭，以保护芯片免受过流损坏。
• 过热保护（TSD）：当芯片的管芯温度达到 135°C 时，会触发热关断保护，停止升压开关动作，并设置 TSD 标志。当管芯温度冷却到 120°C 时，升压功能会自动恢复。

五、编程与寄存器配置

5.1 I²C 接口操作

芯片通过 I²C 接口进行配置，遵循 I²C 通信协议的标准操作。在通信过程中，需要注意起始条件、停止条件、地址传输和数据传输的格式。起始条件是在 SCL 为高电平时，SDA 从高电平过渡到低电平；停止条件是在 SCL 为高电平时，SDA 从低电平过渡到高电平。I²C 主设备负责生成起始和停止条件，并在数据传输过程中控制时钟信号。

5.2 寄存器功能与配置方法

芯片包含多个寄存器，用于控制各种功能和设置参数。例如，通过配置亮度控制寄存器可以选择亮度映射模式、斜坡启用和速率等；通过配置升压控制寄存器可以选择开关频率、最小电感选择、过压保护阈值和过流保护阈值等。在进行寄存器配置时，需要注意某些寄存器位和寄存器的编程条件，以确保芯片的正常运行。

六、应用与设计实践

6.1 典型应用电路

LM36922H 的典型应用电路包括输入电容、电感、肖特基二极管、输出电容和 LED 灯串等元件。在设计电路时，需要根据具体的应用需求选择合适的元件参数，以确保电路的性能和稳定性。

6.2 元件选择要点

• 电感：推荐使用 4.7 - µH 到 10 - µH 的电感，选择时要确保电感的饱和电流额定值能够满足应用的峰值电感电流要求。同时，根据所选电感的值，需要设置最小电感选择位。
• 输出电容：输出电容需要使用陶瓷电容，最小电容值为 0.4 - µF，以确保芯片在整个工作范围内保持稳定，避免振荡。在选择输出电容时，还需要考虑电容的容值公差、温度系数和直流偏置特性等因素。
• 输入电容：输入电容的主要作用是过滤开关电源电流和电感电流纹波，推荐使用 2.2 - µF 的陶瓷电容。

6.3 PCB 布局注意事项

由于芯片的开关操作会产生高电压和大电流变化，因此 PCB 布局对于减少电磁干扰和提高电路性能至关重要。在布局时，需要注意以下几点：

• 输出电容布局：输出电容应尽可能靠近肖特基二极管的阴极和芯片的 GND 引脚，以减少电感和电压尖峰。
• 肖特基二极管布局：肖特基二极管的阳极应靠近 SW 引脚，阴极应靠近输出电容，以降低电感和电压尖峰。
• 电感布局：电感与 SW 引脚的连接面积应尽量小，以减少 PCB 电容耦合。同时，高阻抗节点应远离 SW 引脚，避免受到电场耦合的影响。
• 输入电容布局：输入电容应靠近 IN 引脚和 GND 引脚，以减少电压尖峰和电流纹波。

七、总结与建议

LM36922H 是一款功能强大、性能优越的双串白光 LED 驱动芯片，具有高精度的电流控制、高转换效率、丰富的调光和保护功能等特点。在实际应用中，工程师可以根据具体的设计需求，灵活选择亮度控制模式、开关频率和保护阈值等参数。同时，在元件选择和 PCB 布局方面，需要严格按照设计要求进行操作，以确保芯片的性能和可靠性。如果你在使用过程中遇到问题，欢迎在评论区留言交流，让我们一起探讨如何更好地发挥这款芯片的优势。