MAX8739：TFT、LCD 专用 DC - DC 转换器深度解析

在电子设备的设计中，显示屏的性能至关重要，而对于 TFT、LCD 显示屏而言，一款合适的 DC - DC 转换器能显著提升其显示效果和稳定性。今天我们就来详细探讨一下 Maxim 公司推出的 MAX8739，这是一款集成了高性能升压调节器和两个高电流运算放大器的芯片，专为有源矩阵薄膜晶体管（TFT）液晶显示器（LCD）设计。

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芯片概述

主要特性

• 宽输入电压范围：MAX8739 的输入电源电压范围为 1.8V 至 5.5V，能适应多种电源环境，为不同的应用场景提供了灵活性。
• 高效升压转换器：采用 600kHz/1.2MHz 高频电流模式调节器，集成 14V n 沟道 MOSFET，可使用超小型电感器和陶瓷电容器，实现快速瞬态响应和超过 85% 的效率。
• 高性能运算放大器：两个运算放大器具有高输出电流（±150mA）、快速压摆率（7.5V/µs）、宽带宽（12MHz）以及轨到轨输入输出特性，可用于驱动 LCD 背板（VCOM）和/或伽马校正分压串。
• 逻辑控制高压开关：带有可调节延迟的逻辑控制高压开关，能满足不同的时序需求。
• 多种保护功能：具备内置上电序列、输入电源欠压锁定、所有调节器输出的定时器延迟故障锁存以及热过载保护等功能，提高了芯片的可靠性和稳定性。

封装形式

MAX8739 采用 20 引脚、5mm x 5mm TQFN 封装，最大厚度仅 0.8mm，非常适合超薄 LCD 面板。

应用领域

主要应用于笔记本电脑显示器和 LCD 监视器面板等领域。

电气特性分析

输入输出参数

• 输入电源：输入电源范围为 1.8V 至 5.5V，静态电流在不同条件下有所不同，如 (V{IN}=2.5V)，(V{FB}=1.5V) 时，静态电流为 15 - 30µA。
• LDO 输出：LDO 输出电压在 6V ≤ (V{SUP}) ≤ 13V，(I{LDO}=12.5mA) 时为 4.6 - 5.4V，具有欠压锁定功能，阈值为 2.4 - 3.0V。
• SUP 电源：SUP 电源电压范围为 4.5 - 13.0V，欠压故障阈值为 1.4V，电源电流在不同工作状态下有所变化。

升压调节器特性

• 工作频率：通过 FREQ 引脚可选择 600kHz 或 1.2MHz 工作频率。
• 最大占空比：不同频率下最大占空比有所不同，FREQ = AGND 时为 91 - 99%，FREQ = IN 时为 88 - 96%。
• 其他参数：包括 FB 调节电压、故障触发持续时间、线路调节、输入偏置电流等。

运算放大器特性

• 输入失调电压：在 (V{CM}=V{SUP}/2)，(T_{A}= +25°C) 时，典型值为 0 - 12mV。
• 输入偏置电流：NEG1、POS1、NEG2、POS2 引脚的输入偏置电流为 -50 - +50nA。
• 输出电压摆幅：在不同输出电流下，输出电压摆幅有所不同，具有良好的轨到轨特性。
• 其他参数：如共模抑制比、开环增益、短路电流等。

正栅极驱动器定时和控制开关特性

包括 DEL 电容充电电流、DEL 开启阈值、CTL 输入电压、SRC 输入电压范围和电流、开关导通电阻等参数。

典型应用电路

MAX8739 的典型应用电路可生成 +8V 源极驱动器电源以及约 +22V 和 -7V 栅极驱动器电源，适用于 TFT 显示器。电路设计中，输入电压范围为 +1.8V 至 +2.7V，文档中还列出了关键推荐组件和组件供应商的联系信息。

详细工作原理

主升压调节器

采用电流模式、固定频率 PWM 架构，通过调节内部功率 MOSFET 的占空比来控制输出电压和功率。占空比近似计算公式为 (D approx frac{V{MAIN }-V{IN }}{V_{MAIN }})。误差放大器将 FB 信号与 1.24V 比较，改变 COMP 输出，从而控制 MOSFET 的导通和关断，实现能量的存储和释放。

运算放大器

用于驱动 LCD 背板和伽马校正分压串，具有短路电流限制功能，当输出短路时，短路电流限制在约 ±150mA，若短路持续，IC 结温上升至热关断阈值（典型值 +160°C）时，将关闭所有输出。在驱动纯电容性负载时，需采取措施确保稳定运行，如在输出和负载之间放置 5Ω 至 50Ω 电阻或并联 RC 网络。

开关控制和延迟

通过连接在 DEL 引脚和 AGND 之间的电容 (C{DEL}) 选择开关控制块电源启动延迟。当 LDO 电压超过欠压锁定阈值且各调节器软启动完成后，5µA 电流源对 (C{DEL}) 充电，当电容电压超过 VREF（典型值 1.25V）时，根据 CTL 状态连接 COM 到 SRC 或 DRN。

欠压锁定（UVLO）

将 IN 引脚的输入电压与 UVLO 阈值（上升 1.26V，下降 1.1V）比较，200mV 磁滞防止电源瞬变导致重启。输入电压超过上升阈值时启动，低于下降阈值时关闭主升压调节器和线性调节器输出，禁用开关控制块，运算放大器输出呈高阻态。

线性调节器（LDO）

内部 5V 线性调节器，输入电压范围为 4.5V 至 13V，输出典型值为 5V，为内部电路包括栅极驱动器供电。需用 0.22µF 或更大的陶瓷电容将 LDO 引脚旁路到 AGND，SUP 应直接连接到升压调节器的输出，以提高低输入电压下的效率。

自举和软启动

MAX8739 具有自举操作功能，正常运行时，内部线性调节器为内部电路供电。输入电压在 SUP 高于 1.3V（典型值）且故障锁存未置位时启用，启用后调节器开始开环开关以生成线性调节器的电源。LDO 电压超过 2.7V（典型值）时，内部参考块开启，PWM 控制器和电流限制电路启用，升压调节器进入软启动。软启动期间，主升压调节器直接限制峰值电感电流，分八个相等电流步骤从 0 增加到全电流限制值，输出电压达到调节值或软启动定时器约 13ms 到期后，可获得最大负载电流，软启动可最小化浪涌电流和电压过冲。

故障保护

在稳态运行时，监测 FB 电压，若 FB 电压不超过 1V（典型值），激活内部故障定时器，若持续故障达到故障定时器持续时间，设置故障锁存，关闭所有输出。去除故障条件后，需循环输入电压清除故障锁存并重新激活设备。同时，监测 SUP 电压的欠压和过压情况，欠压或过压时禁用升压调节器的栅极驱动器，防止内部 MOSFET 开关，但不设置故障锁存。

热过载保护

当结温超过 (T{J}= +160°C) 时，热传感器立即激活故障保护，关闭升压调节器和内部线性调节器，设备冷却约 15°C 后，循环输入电压（低于 UVLO 下降阈值）清除故障锁存并重新激活设备。为保证连续运行，结温不应超过绝对最大结温额定值 (T{J}= +150°C)。

设计要点

主升压调节器设计

• 电感选择：选择电感时需考虑最小电感值、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。可根据典型输入电压、最大输出电流、预期效率和 LIR（电感峰 - 峰纹波电流与满载电流下平均直流电感电流的比值）计算电感值，选择合适的电感后，还需评估不同电感值在典型工作区域的效率提升情况。
• 输出电容选择：总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主导，同时需考虑输出电容的电压额定值和温度特性。
• 输入电容选择：输入电容可减少从输入电源汲取的电流峰值，降低噪声注入到 IC。典型应用电路中使用 10µF 陶瓷电容，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，可适当减小输入电容值。也可使用 RC 低通滤波器将 IN 与输入电容解耦，以容忍更大的电压变化。
• 整流二极管选择：由于 MAX8739 的高开关频率，需要高速整流二极管，肖特基二极管因其快速恢复时间和低正向电压而被推荐，一般 3A 肖特基二极管与内部 MOSFET 配合良好。
• 输出电压选择：通过连接从输出 ((V{MAIN})) 到 AGND 的电阻分压器，中心抽头连接到 FB 来调整主升压调节器的输出电压。选择 R2 在 10kΩ 至 50kΩ 范围内，根据公式 (R1 = R2 times(frac{V{MAIN }}{V{FB}} - 1)) 计算 R1，其中 (V{FB}) 为升压调节器的反馈设定点，为 1.236V，R1 和 R2 应靠近 IC 放置。
• 环路补偿：选择 (R{COMP}) 设置高频积分器增益以实现快速瞬态响应，选择 (C{COMP}) 设置积分器零点以保持环路稳定。对于低 ESR 输出电容，可使用公式 (R{COMP} approx frac{315 × V{IN} × V{OUT} × C{OUT }}{L × I{MAIN(MAX) }}) 和 (C{COMP } approx frac{V{OUT } × C{OUT }}{10 × I{MAIN(MAX) } × R{COMP }}) 获得稳定性能和良好的瞬态响应，还可通过调整 (R{COMP}) 和 (C{COMP}) 进一步优化瞬态响应。

功率耗散

IC 的最大功率耗散取决于芯片到环境的热阻和环境温度，热阻与 IC 封装、PCB 铜面积、其他热质量和气流有关。MAX8739 在背面暴露焊盘焊接到 1in² PCB 铜的情况下，在 +70°C 静止空气中可耗散约 1.7W 功率。功率耗散的主要部分包括升压调节器和运算放大器的功率损耗。

• 升压调节器：升压调节器中功率耗散的主要部分是内部 MOSFET、电感和输出二极管。若升压调节器效率为 90%，约 3% - 5% 的功率在内部 MOSFET 中损耗，约 3% - 4% 在电感中损耗，约 1% 在输出二极管中损耗，其余 1% - 3% 分布在输入和输出电容以及 PCB 线路中。
• 运算放大器：运算放大器的功率耗散取决于其输出电流、输出电压和电源电压，计算公式为 (P{DSOURCE} = I{OUTSOURCE} times(V{SUP } - V{OUT })) 和 (P{DSINK} = I{OUT(SINK)} times V_{OUT })。

PCB 布局和接地

• 最小化高电流环路面积：将电感、输出二极管和输出电容靠近输入电容以及 LX 和 PGND 引脚放置，减少高电流环路面积。高电流输入环路从输入电容的正端到电感，到 IC 的 LX 引脚，从 PGND 引脚输出，再到输入电容的负端；高电流输出环路从输入电容的正端到电感，到输出二极管，到输出电容的正端，再连接到输出电容和输入电容的接地端。使用短而宽的连接，避免在高电流路径中使用过孔，若不可避免，使用多个过孔并联以降低电阻和电感。
• 创建接地岛：创建由输入和输出电容接地、PGND 引脚和任何电荷泵组件组成的功率接地岛（PGND），用短而宽的走线或小接地平面连接这些组件，最大化功率接地走线的宽度可提高效率，减少输出电压纹波和噪声尖峰。创建由 AGND 引脚、所有反馈分压器接地连接、运算放大器分压器接地连接、COMP 和 DEL 电容接地连接、SUP 和 LDO 旁路电容接地连接以及设备背面暴露焊盘组成的模拟接地平面（AGND），将 PGND 引脚直接连接到背面暴露焊盘以连接 AGND 和 PGND 岛，避免在这些单独的接地平面之间进行其他连接。
• 放置反馈电阻：将反馈分压器电阻尽可能靠近反馈引脚放置，分压器的中心走线应保持短。将电阻放置过远会使 FB 走线成为天线，可能拾取开关噪声，应避免将任何反馈走线靠近 LX 或电荷泵中的开关节点。
• 放置旁路电容：将 IN 引脚和 LDO 引脚的旁路电容尽可能靠近设备放置，IN 和 LDO 旁路电容的接地连接应通过宽走线直接连接到 AGND 引脚。
• 优化输出走线：最小化输出电容和负载之间走线的长度，最大化走线的宽度，以获得最佳瞬态响应。
• 处理 LX 节点：最小化 LX 节点的尺寸，保持其短而宽，使 LX 节点远离反馈节点和模拟接地，必要时使用直流走线作为屏蔽。

总结

MAX8739 是一款功能强大的 TFT、LCD 专用 DC - DC 转换器，具有高效、高性能和多种保护功能等优点。在设计过程中，需要综合考虑各个方面的因素，包括电气特性、电路设计、元件选择、功率耗散和 PCB 布局等，以确保芯片的性能和稳定性。希望本文能为电子工程师在使用 MAX8739 进行设计时提供有价值的参考。你在实际设计中是否遇到过类似芯片的使用问题呢？欢迎在评论区分享你的经验和见解。