MAX1620/MAX1621：数字化可调LCD偏置电源的设计与应用

一、引言

在电子设备中，LCD显示屏的稳定驱动至关重要。MAX1620/MAX1621作为数字化可调LCD偏置电源，能将1.8V至20V的电池电压转换为正或负的LCD背板偏置电压，为LCD的正常工作提供了有力保障。本文将详细介绍MAX1620/MAX1621的特性、工作原理、设计过程及应用要点。

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二、产品概述

2.1 功能特点

MAX1620/MAX1621可将1.8V - 20V的电池电压转换为正或负的LCD背板偏置电压，当显示逻辑电压移除时，背板偏置电压可自动禁用，保护显示屏。它们采用超小的QSOP封装，占用极少的PCB板面积，仅需小型、低剖面的外部组件。

2.2 输出电压调节

输出电压可通过外部电阻设置为所需的正或负电压范围，并可通过板载数模转换器（DAC）或电位器在该范围内进行调节。其中，MAX1620/MAX1621包含一个5位DAC，允许通过数字软件控制偏置电压。MAX1620使用上下数字信号调节DAC，而MAX1621则使用系统管理总线（SMBus™）2线串行接口。

2.3 应用领域

适用于笔记本电脑、掌上电脑、个人数字助理、便携式数据采集终端等设备。

三、工作原理

3.1 工作模式

MAX1620/MAX1621工作在不连续传导模式（每个开关周期结束时电感电流降至零），具有恒定的峰值电流，无需电流检测电阻。开关导通时间与输入电压VBATT成反比，由微秒 - 伏特常数（k因子）决定，典型值为20µs - V。

3.2 输出电流计算

对于理想的升压转换器，输出电流与输入电压和峰值电感电流成正比，计算公式为： [I{OUT}=frac{1}{2} times k{factor} times V{BATT} / V{OUT}] 峰值电感电流IPK与导通时间tON成正比，tON由k因子决定： [I{PK} = k{factor} / L]

3.3 不连续传导检测

通过监测LX节点电压来检测不连续传导。当电感能量完全释放后，LX节点电压跳回到BATT电压。当检测到该交叉点时，如果输出仍未达到调节状态，则发出另一个脉冲。

四、输出电压选择与控制

4.1 正输出电压

将极性引脚（POL）连接到VDD，采用典型的升压拓扑。FB调节电压为1.5V，为确保最佳稳定性，VOUT应大于1.1（VBATT）。

4.2 负输出电压

将POL连接到GND。内部误差放大器的输出反转以提供正确的反馈极性，FB调节电压为0V。D1、D2、C4和C5组成反相电荷泵以产生负电压。负输出电路有两种连接方式，标准连接下D1的阴极连接到BATT，输出纹波性能最佳，但|VOUT|必须限制在不超过27V - 1.1（VBATT）；若需要更大的负电压，可采用替代连接，将D1的阴极连接到地，最大负输出可达 - 27V，但需满足|VOUT| > 1.1VBATT。

4.3 输出电压控制

输出电压通过连接到反馈引脚（FB）的分压器设置。对于正输出，分压器参考GND；对于负输出，分压器参考REF。输出电压可通过内部DAC将电流求和到FB来调节，5位DAC由用户可编程的上下计数器控制。

4.3.1 MAX1620控制方式

通过UP和DN引脚控制DAC计数器。UP引脚的上升沿通过递减计数器并将DAC输出电压降低一步来增加|VOUT|；DN引脚的上升沿通过递增计数器并将DAC输出电压增加一步来降低|VOUT|。同时将UP和DN置高可将计数器重置为半量程。

4.3.2 MAX1621控制方式

通过SMBus接口控制计数器到DAC。计数器被视为一个5位寄存器，上电时重置。只要VDD大于欠压锁定阈值，DAC中的设置就保证有效。

五、设计过程与组件选择

5.1 输出调整

5.1.1 设置最小输出电压

使用电阻分压器（R4 - R5）从VOUT到AGND设置最小输出电压。FB阈值电压为1.5V，选择R4为300kΩ，使分压器中的电流约为5µA。对于正输出，R5的计算公式为： [R5 = R4 times (V{OUT,MIN} - V{FB}) / V{FB}] 对于负输出，R5的计算公式为： [R5 = R4 times |V{OUT,MIN} / V_{REF}|]

5.1.2 设置最大输出电压（DAC调节）

DAC可在0V至1.5V之间以32步进行调节，1LSB = 1.5V / 31。通过在分压器电路中添加R3来进行VOUT的DAC调节。确保VOUT,MAX不超过LCD面板的额定值。R3的计算公式为： [R3 = R5 times (V{FB}) / (V{OUT,MAX} - V_{OUT,MIN})]

5.2 电位器调节

输出也可通过电位器而不是DAC进行调节。选择RPOT = 100kΩ，将其连接在REF和GND之间，将R3连接到电位器的抽头。

5.3 控制LCD

当POK处的电压大于1V时，开漏LCDON输出拉低。LCDON可承受27V，因此可驱动PFET或PNP晶体管来切换MAX1620/MAX1621的正输出。使用POK和LCDON控制LCD有三种情况：

1. 作为关断开关，确保关机期间正升压输出降至0V。
2. 作为正输出的输出感应截止。
3. 作为正输出的输入感应输出截止。

5.4 组件选择

5.4.1 电感器选择

实际电感值范围为33µH至1mH，100µH适用于广泛的应用。建议使用具有铁氧体磁芯或等效材料的电感器，其电流额定值应超过由k因子和线圈电感设置的峰值电流。

5.4.2 二极管选择

由于最大开关频率高达300kHz，需要高速整流器，建议使用肖特基二极管，如MBRS0540。其平均电流额定值必须大于峰值开关电流，反向击穿电压应大于正输出电压或负输出电压加上VBATT。

5.4.3 外部开关晶体管

为保持效率，需要高速开关晶体管，建议使用逻辑电平N沟道MOSFET，如MMFT3055VL。其VDS额定值应大于正输出电压或负输出电压加上VBATT。在某些应用中，为节省成本，可使用双极晶体管代替MOSFET，但会降低效率。

5.4.4 输出滤波电容

对于大多数应用，22µF、35V、低ESR的表面贴装钽输出电容就足够了。输出纹波电压主要由峰值开关电流乘以输出电容的有效串联电阻（ESR）决定，100mVp - p的输出纹波是成本和性能之间的良好折衷。

5.4.5 输入旁路电容

VDD和VBATT需要旁路电容。VDD使用0.1µF陶瓷电容尽可能靠近IC进行旁路。电池为电感器提供高电流，需要在电感器附近进行局部大容量旁路，大多数应用使用22µF低ESR表面贴装电容即可。

5.4.6 电荷泵电容（负输出）

对于负输出配置，C4应具有低ESR，且应小于输出电容（C5），其电压额定值应与C5相同。对于图6的电路，建议使用2.2µF电容。

5.4.7 反馈补偿电容

由于反馈电阻（R3、R4、R5）的值较高，反馈环路容易受到FB引脚处寄生电容的相位滞后影响。为补偿这一点，在R5上并联一个电容（C6），其值取决于R3、R4、R5的并联组合和单个电路布局，典型值范围为33pF至220pF。

5.4.8 参考补偿电容

内部参考使用外部电容进行频率补偿，在REF和地之间连接一个最小0.1µF的陶瓷电容。

六、PCB布局与接地

由于高电流水平和快速开关波形，正确的PCB布局至关重要。特别是要保持所有走线短，尤其是连接到FB引脚以及连接N1、L1、D1、D2、C4和C5的走线。将R3、R4和R5尽可能靠近反馈引脚放置。使用星形接地配置，将输入旁路电容、输出电容和开关晶体管的接地连接在一起，靠近IC的PGND引脚，并在芯片处将AGND和PGND连接在一起。

七、总结

MAX1620/MAX1621数字化可调LCD偏置电源为LCD驱动提供了灵活、高效的解决方案。通过合理选择组件和优化PCB布局，可以确保其在各种应用中稳定可靠地工作。在设计过程中，需要注意输出电压的设置、组件的选择以及接地和布局等问题，以实现最佳性能。各位工程师在实际应用中，不妨根据具体需求灵活调整设计，你在使用过程中遇到过哪些挑战呢？欢迎在评论区分享。