深入剖析LM27964：一款卓越的白光LED驱动芯片

在当今的电子设备中，LED照明的应用无处不在，从手机屏幕到各种小型显示设备，都离不开高效稳定的LED驱动芯片。今天，我们就来深入探讨德州仪器（TI）推出的LM27964白光LED驱动芯片，看看它在实际应用中究竟有哪些独特的优势和特点。

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一、产品概述

LM27964是一款基于自适应1.5x/1x CMOS电荷泵的白光LED驱动系统，能够提供高达180mA的总输出电流。它具有三个可独立控制的恒流源组，非常适合需要单个白光LED驱动器来驱动主显示屏、副显示屏以及满足其他通用照明需求的平台。其紧密匹配的电流源确保了在整个小尺寸显示屏上LED亮度的均匀性。

1.1 主要特性

• 高效率：峰值LED驱动效率可达87%，能有效降低功耗，延长电池续航时间。
• 高精度电流匹配：电流源之间的电流匹配精度高达0.2%，保证了LED亮度的一致性。
• 多组驱动能力：可驱动两组共6个LED，每组LED的电流最大可达30mA，适用于同时为两个显示屏（主LCD和副LCD）提供背光。
• 专用键盘LED驱动：配备专用的键盘LED驱动器，驱动电流最大可达80mA。
• 独立可编程电流设置：通过独立的电阻可编程电流设置，用户可以灵活调整每个LED组的电流大小。
• I2C兼容亮度控制接口：支持I2C通信协议，方便用户独立控制每个LED组的亮度。
• 宽输入电压范围：支持2.7V至5.5V的扩展锂离子输入电压范围，适用于各种电源环境。
• 小尺寸封装：采用小型低轮廓的行业标准无铅封装WQFN - 24（4mm x 4mm x 0.8mm），节省电路板空间。

1.2 应用领域

• 手机显示屏照明：为手机的主显示屏和副显示屏提供稳定的背光。
• 手机键盘照明：驱动手机键盘的LED，提供清晰的按键照明。
• PDA背光：适用于个人数字助理（PDA）等设备的背光需求。
• 通用LED照明：可用于其他各种需要LED照明的场合。

二、技术细节分析

2.1 电荷泵工作原理

LM27964的电荷泵输入连接到(V{IN})引脚，其调节后的输出连接到(V{OUT})引脚。该芯片的推荐输入电压范围为3.0V至5.5V，其调节后的电荷泵具有开环和闭环两种工作模式。

• 开环模式：在开环模式下，(V_{OUT})引脚的电压等于增益乘以输入电压。
• 闭环模式：在闭环模式下，(V_{OUT})引脚的电压被调节到4.6V（典型值）。电荷泵的增益转换会根据LED的正向电压和负载要求进行主动选择，以确保在尽可能宽的输入电压范围内保持最高效率的增益（1x），从而减少电池的功耗。

2.2 LED正向电压监测

LM27964能够根据LED负载的正向电压切换转换器的增益（1x或3/2x），这种增益切换能力可以最大限度地提高给定负载下的效率。正向电压监测发生在BankA和BankB的所有二极管引脚（DKEY引脚不进行监测）。

• 高输入电压情况：在较高的输入电压下，LM27964将工作在直通模式，使(POUT)电压跟踪输入电压。
• 输入电压下降情况：随着输入电压的下降，DXX引脚的电压也会下降（(V{DXX }=V{POUT }-V_{LEDX })）。当任何一个激活的Dxx引脚的电压降至约375mV时，电荷泵将切换到3/2的增益，以确保LED电流不会因电流源的裕量不足而被切断。

2.3 I2C兼容接口

LM27964的I2C兼容接口用于启用和调节各个电流源组的亮度。在使用该接口时，需要注意以下几点：

• 数据有效性：SDIO线上的数据在时钟信号（SCL）的高电平期间必须保持稳定，即数据状态只能在CLK为低电平时改变。
• 起始和停止条件：起始条件定义为SDIO信号在SCL线为高电平时从高电平转换为低电平，停止条件定义为SDIO在SCL为高电平时从低电平转换为高电平。I2C主设备始终负责生成起始和停止条件。
• 数据传输：每个放在SDIO线上的字节必须为8位长，且最高有效位（MSB）先传输。每个字节的数据后面都必须跟随一个确认位，确认相关的时钟脉冲由主设备生成。

2.4 内部寄存器

LM27964具有多个内部寄存器，用于控制不同LED组的开关和亮度。

• 通用寄存器（10h）：用于启用或禁用不同的LED驱动器，如ENA用于启用主显示屏的DxA LED驱动器，ENB用于启用副显示屏的DxB LED驱动器，ENK用于启用键盘驱动器。
• Bank A和Bank B亮度控制寄存器（A0h）：用于设置DxA和DxB LED驱动器的电流水平，提供16级PWM亮度控制。
• 键盘亮度控制寄存器（B0h）：用于设置键盘驱动器（DKEY）的亮度，提供4级模拟亮度控制。

三、应用设计要点

3.1 设置LED电流

通过在LM27964的(SETX)引脚和GND之间连接一个适当大小的电阻((R_{SETx }))，可以将连接到DxA、DxB和DKEY的LED电流设置为所需的水平。具体的电流计算公式如下：

• (I{DXA / B}=200 timesleft(V{ISET } / R_{SETAB }right))
• (R{SETA/B }=200 timesleft(1.25 V / I{D x A / B}right))
• (I{DKEY }=800 timesleft(V{ISET } / R_{SETK }right))
• (R{SETK }=800 timesleft(1.25 V / I{DKEY }right))

选择好所需的(R_{SETx })值后，LM27964可以通过脉冲宽度调制（PWM）对LED进行内部调光。BankA和BankB的LED可以调至16种不同的亮度级别，内部PWM频率根据型号不同可为10kHz（LM27964SQ - I）或23kHz（LM27964SQ - C）。DKEY电流源使用模拟电流缩放方法来控制LED亮度，亮度级别为100%（满量程）、70%、40%和20%。

3.2 最大输出电流和电压限制

LM27964在输入电压低至3.2V时，能够驱动4个每个30mA的LED（BankA）和12个每个5mA的键盘LED（DKEY处总计60mA），前提是LED的正向电压在3.6V或更低（室温下）。其最大输出电流能力可以通过以下公式估算： [DMAX =left[left(1.5 × V{IN}right)-V{LED }-left(I{ADDITIONAL } × R{OUT }right)right] /left[left(N{x} × R{OUT }right)+k{HRx}right]]

其中，(I{ADDITIONAL})是可以输送到其他LED组的额外电流，(R{out})是输出电阻（典型值为2.75Ω），(k_{HR})是裕量常数（典型值为12mV/mA）。最大LED电流高度依赖于最小输入电压和LED正向电压，通过提高应用的最小输入电压或选择正向电压较低的LED，可以增加输出电流能力。

3.3 并联输出连接

输出D1A - 4A或D1B - D2B可以连接在一起，以更高的电流驱动一个或两个LED。在这种配置下，所有四个相等值的并联电流源（BankA）可以驱动一个LED。选择BankA的LED电流时，应使每个输出的电流编程为所需总LED电流的25%。同样的RSETx选择准则也适用于BankB的二极管。

3.4 电源效率和功耗计算

LED驱动器的效率通常定义为LED消耗的功率((P{LED }))与芯片输入功率((P{IN}))的比值。对于LM27964，可以通过以下公式预测其效率：

• (P{LEDTOTAL}=left(V{LEDA} × N{A} × I{LEDA}right)+left(V{LEDB} × N{B} × I{LEDB}right)+left(V{LEDK} × N{K} × I{LEDK}right))
• (P{IN}=V{IN} × I_{IN})
• (I{IN}=V{IN} timesleft( GAIN × I{LEDTOTAL }+I{O}right))
• (eta=left(P{LEDTOTAL } ÷ P{IN }right))

需要注意的是，这里定义的效率部分取决于LED电压，LED电压的变化不会影响电路消耗的功率，通常也与LED的亮度无关。为了进行更精确的分析，建议评估电路消耗的功率((V{IN} ×I{IN}))而不是功率效率。

芯片的功耗(( P{DISS }))和结温((T{J}))可以通过以下公式近似计算：

• (P{DISS}=left( GAIN × V{IN} × I{LEDA }+I{LEDB }+ I{LEDK }right)-left(V{LEDA } × N{A} × I{LEDA }right)-left(V{LEDB } × N{B} × I{LEDB }right)-left(V{LEDK } × N{K} × I{LEDK }right))
• (T{J} = T{A} + (P{DISS} times theta{JA}))

其中，(T{A})是环境温度，(theta{JA})是WQFN - 24封装的结到环境的热阻（典型值为41.3°C/W）。结温额定值优先于环境温度额定值，只要芯片的结温不超过最大工作额定值100°C，LM27964可以在环境温度额定值之外工作。

3.5 电容选择

LM27964正常工作需要4个外部电容（(C{1}=C{2}=1 mu F)，(C{IN}=C{OUT}=2.2 mu F)），建议使用表面贴装多层陶瓷电容，因为它们体积小、价格便宜且等效串联电阻（ESR）非常低（典型值<20mΩ）。不建议使用钽电容、OS - CON电容和铝电解电容，因为它们的ESR较高。对于大多数应用，建议使用具有X7R或X5R温度特性的陶瓷电容，因为它们具有紧密的电容公差（可达±10%），并且在温度变化时电容值保持稳定。

3.6 PCB布局考虑

WQFN是一种基于引线框架的芯片级封装（CSP），具有良好的热性能。该封装在中心有一个暴露的DAP（芯片附着垫），尺寸为2.6mm x 2.5mm。在进行PCB布局时，TI强烈建议封装和PCB热焊盘之间采用1:1的比例。为了进一步提高热导率，PCB热焊盘可以包括通向接地平面的过孔。

四、总结

LM27964作为一款高性能的白光LED驱动芯片，凭借其高效率、高精度电流匹配、多组驱动能力以及灵活的亮度控制接口等特点，在手机、PDA等小型电子设备的LED照明应用中具有显著的优势。在实际应用设计中，工程师需要根据具体的需求和参数，合理设置LED电流、选择合适的电容和进行优化的PCB布局，以确保芯片能够发挥出最佳的性能。同时，要注意芯片的最大输出电流、电压限制以及功耗和热管理等问题，以保证系统的稳定性和可靠性。你在使用类似的LED驱动芯片时遇到过哪些问题呢？欢迎在评论区分享你的经验和见解。