MAX8740：高性能TFT - LCD升压DC - DC转换器的设计与应用

在电子设备中，TFT - LCD显示屏的广泛应用对电源管理提出了更高的要求。MAX8740作为一款高性能的升压DC - DC转换器，为TFT - LCD提供了稳定且高效的电源解决方案。下面我们就来深入了解一下MAX8740的特点、设计要点以及应用注意事项。

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一、产品概述

MAX8740是一款专门为有源矩阵薄膜晶体管（TFT）液晶显示器（LCD）提供稳压电源的高性能升压DC - DC转换器。它采用电流模式、固定频率的脉冲宽度调制（PWM）电路，并内置n沟道功率MOSFET，实现了高达90%的效率和快速的瞬态响应。用户可以通过逻辑输入引脚（FREQ）选择640kHz或1.2MHz的工作频率，高开关频率允许使用超小型电感器和低ESR陶瓷电容器。

主要特性

1. 高效转换：效率可达90%，有效降低功耗。
2. 宽输入电压范围：支持2.6V至5.5V的输入电源，适应多种供电场景。
3. 可调输出电压：输出电压可在VIN至28V之间调节，满足不同TFT - LCD的需求。
4. 输入欠压锁定：防止在输入电压过低时设备异常工作。
5. 可编程软启动：通过外部电容实现软启动，减少浪涌电流。
6. 低关断电流：关断电流仅0.1µA，降低待机功耗。
7. 小封装：采用10引脚薄型DFN封装，节省电路板空间。

二、电气特性分析

1. 输入输出电压范围

输入电压范围根据输出电压不同有所变化，当VOUT < 18V时，输入电压范围为2.6V至5.5V；当18V < VOUT < 24V时，输入电压范围为4.0V至5.5V，输出电压范围最大可达28V。

2. 静态电流与关断电流

在不同条件下，静态电流有所不同。例如，VFB = 1.3V且不开关时，典型静态电流为0.22mA；VFB = 1.0V且开关、FREQ = GND时，静态电流在2 - 5mA之间。关断电流在SHDN = GND时，最大为10µA。

3. 误差放大器与振荡器

误差放大器的FB调节电压标称值为1.24V，输入偏置电流在50 - 250nA之间。振荡器频率可通过FREQ引脚选择，FREQ = GND时为640kHz（540 - 740kHz），FREQ = IN时为1.2MHz（1000 - 1500kHz），最大占空比为88 - 94%。

4. n沟道MOSFET特性

电流限制在VFB = 1V、71%占空比时为3.9 - 5.3A，导通电阻在不同输入电压下有所不同，VIN = 3V时典型值为0.11Ω，VIN = 5V时典型值为0.095Ω，漏电流在VLX = 28V时最大为55µA。

三、设计要点

1. 电感选择

电感的选择对于转换器的性能至关重要。需要考虑最小电感值、峰值电流额定值和串联电阻等因素，这些因素会影响转换器的效率、最大输出负载能力、瞬态响应时间和输出电压纹波。一般来说，电感的峰值 - 峰值纹波电流与满载电流下的平均直流电感电流之比（LIR）在0.3 - 0.5之间时，能在电感尺寸和电路效率之间取得较好的平衡。但根据电感磁芯材料的交流特性以及电感电阻与其他功率路径电阻的比例，最佳LIR值可能会有所偏移。 计算电感值的公式为： [L=left(frac{V{I N}}{V{OUT }}right)^{2}left(frac{V{OUT }-V{IN }}{I{OUT(MAX) } × f{OSC }}right)left(frac{eta_{TYP }}{LIR}right)] 同时，要确保电感的饱和电流额定值和MAX8740的LX电流限制（ILIM）超过峰值电流IPEAK，电感的直流电流额定值超过最大直流输入电流IIN(DC,MAX)，并且选择串联电阻小于0.1Ω的电感以提高效率。

2. 输出电容选择

输出电压纹波由电容纹波和欧姆纹波组成，电容纹波与输出电容的充放电有关，欧姆纹波与电容的等效串联电阻（ESR）有关。对于陶瓷电容，输出电压纹波通常由电容纹波VRIPPLE(C)主导。在选择输出电容时，需要考虑电压额定值和温度特性。 电容纹波计算公式为： [V{RIPPLE(C)} approx frac{I{OUT }}{C{OUT }}left(frac{V{OUT }-V{IN }}{V{OUT } f{OSC }}right)] 欧姆纹波计算公式为： [V{RIPPLE(ESR) } approx IPEAK R_{ESR(COUT) }]

3. 输入电容选择

输入电容（CIN）的作用是减少从输入电源汲取的电流峰值，并减少向IC注入的噪声。在典型操作电路中使用10µF陶瓷电容，但实际应用中，由于升压调节器通常直接从另一个稳压电源的输出运行，源阻抗较低，CIN的值可以适当减小。也可以使用RC低通滤波器将IN与CIN解耦，以确保IN处的低噪声电源。

4. 整流二极管选择

由于MAX8740的高开关频率，需要使用高速整流二极管。肖特基二极管因其快速恢复时间和低正向电压而被推荐用于大多数应用。二极管的额定值应能处理输出电压和峰值开关电流，其峰值电流额定值至少要达到电感选择部分计算出的IPEAK，击穿电压要超过输出电压。

5. 输出电压选择

MAX8740的输出电压可在VIN至28V之间调节。通过连接一个从输出（VOUT）到GND的电阻分压器，将中心抽头连接到FB引脚来设置输出电压。选择R2在10kΩ至50kΩ范围内，R1的计算公式为： [R 1=R 2 timesleft(frac{V{OUT }}{V{FB}}-1right)] 其中VFB为升压调节器的反馈设定点，典型值为1.28V。

6. 环路补偿

为了防止因不稳定导致的输出纹波过大和效率低下，电压反馈环路需要进行适当的补偿。通过从COMP引脚到GND串联一个电阻（RCOMP）和电容（CCOMP），并从COMP引脚到GND连接另一个电容（CCOMP2）来实现。 RCOMP用于设置高频积分器增益以实现快速瞬态响应，CCOMP用于设置积分器零点以保持环路稳定，CCOMP2用于抵消输出电容ESR引入的零点。对于陶瓷输出电容，由于ESR较小，CCOMP2可以是可选的。 计算公式如下： [R{COMP } approx frac{315 × V{IN} × V{OUT } × C{OUT }}{L × I{OUT(MAX) }}] [C{COMP } approx frac{V{OUT } × C{OUT }}{10 × I{OUT(MAX) } × R{COMP }}] [C{COMP 2} approx frac{0.0036 × R{ESR} × L × I{OUT(MAX) }}{V{IN } × V_{OUT }}]

7. 软启动电容

软启动电容应足够大，以确保在输出达到稳定之前不会达到最终值。计算CSS的公式为： [frac{V{S S}>21 × 10^{-6} × C{OUT } × }{V{IN } × INRUSH -I{OUT } × V{OUT }}{V{IN } × INRUSH -I{OUT } × V{OUT }}] 负载需要等待软启动周期结束后才能开始吸取大量负载电流，负载可以开始吸取最大负载电流的时间为： [tMAX =6.77 × 10^{5} × C_{SS}]

四、PCB布局与接地

1. 高电流环路

尽量减小高电流环路的面积，将电感器、整流二极管和输出电容靠近输入电容以及LX和GND引脚放置。高电流输入环路从输入电容的正端到电感器，再到IC的LX引脚，从GND引脚流出，最后回到输入电容的负端；高电流输出环路从输入电容的正端到电感器，到整流二极管，再到输出电容的正端，在输出电容和输入电容的接地端之间重新连接。使用短而宽的连接，避免在高电流路径中使用过孔，如果无法避免，应使用多个过孔并联以降低电阻和电感。

2. 接地平面

创建一个由输入和输出电容接地端以及GND引脚组成的电源接地岛（PGND），用短而宽的走线或小接地平面将它们连接在一起，以提高效率并减少输出电压纹波和噪声尖峰。创建一个由反馈分压器接地连接、COMP和SS电容接地连接以及设备的外露背面焊盘组成的模拟接地平面（AGND），将AGND和PGND岛通过将GND引脚直接连接到外露背面焊盘来连接，避免在这两个单独的接地平面之间进行其他连接。

3. 反馈电阻

将反馈电压分压器电阻尽可能靠近FB引脚放置，分压器的中心走线应保持短。避免将反馈走线靠近LX，以免拾取开关噪声。

4. 输入旁路电容

将IN引脚旁路电容尽可能靠近设备放置，IN旁路电容的接地连接应通过宽走线直接连接到GND引脚。

5. 输出电容与负载连接

尽量减小输出电容与负载之间走线的长度并增加其宽度，以获得最佳的瞬态响应。

6. LX节点

尽量减小LX节点的尺寸，同时保持其宽度和长度较短。使LX节点远离反馈节点和模拟接地，如果必要，可以使用直流走线作为屏蔽。

五、应用场景

MAX8740适用于笔记本电脑显示器和LCD监视器面板等TFT - LCD应用。在实际设计中，所有设计都应在生产前进行原型制作和测试，以确保满足性能要求。

总之，MAX8740为TFT - LCD电源设计提供了一个高效、灵活的解决方案。在设计过程中，工程师需要根据具体的应用需求，合理选择外部组件，并注意PCB布局和接地，以充分发挥MAX8740的性能优势。你在使用MAX8740进行设计时遇到过哪些问题呢？欢迎在评论区分享你的经验和见解。