用于汽車LTPS顯示器的高度集成TFT偏置設(shè)計(jì)

TFT-LCD主導(dǎo)著汽車顯示器市場，隨著新技術(shù)的出現(xiàn)，它們正進(jìn)入競爭激烈的階段。大于 10 英寸的顯示器需要 TFT 偏置，以解決因尺寸和分辨率增加而產(chǎn)生的額外功率需求。在本設(shè)計(jì)方案中，我們將展示如何使用MAX25221開發(fā)基于常見TFT-LCD設(shè)計(jì)考慮因素的功能電路。這款帶有VCOM緩沖器的TFT-LCD電源IC在穩(wěn)健的解決方案、最小的解決方案尺寸、良好的可配置性和預(yù)編程選項(xiàng)之間實(shí)現(xiàn)了平衡。

介紹

現(xiàn)代汽車包含許多顯示器，從儀表盤中的實(shí)現(xiàn)到中控臺觸摸屏、后座娛樂系統(tǒng)等。龐大的汽車顯示市場由TFT-LCD技術(shù)主導(dǎo)，而OLED可能在未來發(fā)揮重要作用。在這種競爭激烈的環(huán)境中，TFT-LCD具有高電流和精度需求。

典型的TFT-LCD顯示系統(tǒng)

圖2顯示了典型汽車顯示器的簡化框圖。顯示器通過多個電源軌接收電源，通過千兆多媒體串行鏈路（GMSL）接收視頻信號，將串行LVDS數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為RGB格式的并行接口。高壓降壓轉(zhuǎn)換器提供主 5V 或 3.3V 電源軌，為其余低壓電路供電，而高壓 LDO 為 MCU 提供始終導(dǎo)通電源。然而，隨著TFT-LCD尺寸和分辨率的增加，面板功耗和電壓精度對于正確的顯示控制變得更加重要。

圖2.TFT-LCD顯示屏簡單的框圖。

TFT偏置子系統(tǒng)

汽車顯示器的尺寸和分辨率正在增加。因此，即使主解決方案包含源驅(qū)動器或TCON，TFT偏置模塊也是汽車顯示解決方案的核心組件，有助于解決額外的功率需求。圖3給出了使用TFT偏置器件（如MAX25221）時的詳細(xì)TFT偏置框圖電路。MAX25221解決了顯示模塊面臨的一些常見設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)。首先，它為更大的顯示器提供更高的電流。其次，它提供可編程的VCOM電壓，從而減輕了調(diào)諧以適應(yīng)面板之間不同VCOM需求的難度。這種VCOM與通過同步AVDD和集成VGON二極管消除二極管相結(jié)合，所有這些都導(dǎo)致最小的組件需求或多芯片解決方案。MAX25221提供2.1MHz開關(guān)和魯棒擴(kuò)頻，降低電磁干擾（EMI），繼續(xù)超越競爭對手。最后，MAX25221提供AVDD正和負(fù)源電壓。具有雙極性 AVDD 源電壓的面板允許面板的參考電壓 （VCOM） 保持在接近零的水平，而不是單極性 AVDD 值的一半，從而對像素產(chǎn)生凈零效應(yīng)。這種凈零效應(yīng)對于減少圖像保留問題非常重要。雙極性 AVDD 源電壓電源通常與更高性能的面板（如低溫多晶硅 （LTPS） 面板）相關(guān)聯(lián)。

圖3.TFT偏置詳細(xì)框圖。

設(shè)計(jì)示例

表 1.設(shè)計(jì)參數(shù)

表 2.組件列表

詳細(xì)設(shè)計(jì)程序

選擇合適的元件類型和值可確保最佳的器件運(yùn)行，并實(shí)現(xiàn)最高效率和最低噪聲運(yùn)行。以下各節(jié)介紹如何進(jìn)行關(guān)鍵設(shè)計(jì)組件選擇和使用 I2C來控制關(guān)鍵參數(shù)，按應(yīng)用電路示例如圖4所示。

圖4.MAX25221應(yīng)用電路

開關(guān)頻率選擇

升壓和反相轉(zhuǎn)換器以及電荷泵的開關(guān)頻率使用 I2C 設(shè)置，以控制 CONFIG 寄存器中的 fSW 位。當(dāng)fSW為0時，開關(guān)頻率為2.1MHz。當(dāng)fSW為1時，開關(guān)頻率為420kHz。開關(guān)頻率可以應(yīng)用擴(kuò)頻頻率抖動，以利用CONFIG寄存器中的en_ss位改善EMI性能。

對于此設(shè)計(jì)，對于 2.1MHz 的開關(guān)頻率，請確保 CONFIG 寄存器中的 fSW 位設(shè)置為 0。

輸出電壓的選擇

AVDD上的輸出電壓由I2C 將 6 位值寫入AVDD_SET寄存器中的 avdd[5：0]。對于此設(shè)計(jì)，請使用 0x1A 值將升壓輸出電壓設(shè)置為 6.8V。

負(fù)源極驅(qū)動器電源電壓 （NAVDD） 自動嚴(yán)格調(diào)節(jié)至升壓輸出電壓 （AVDD）。它不能獨(dú)立調(diào)整。

電荷泵VGON和VGOFF的電壓輸出分別通過寫入VGON[5：0]和v來設(shè)置。戈夫VGON 和 VGOFF 寄存器中的 [5：0] 字段。對于此設(shè)計(jì)，請使用值 0x16 設(shè)置 V剛設(shè)置為 12V 并使用值 0x16 設(shè)置 V戈夫至 - 10V。

升壓轉(zhuǎn)換器電感選擇

必須指定三個關(guān)鍵電感參數(shù)才能與器件配合使用：電感值 （L）、電感飽和電流 （I坐）和直流電阻 （R直流).

要確定電感值，首先選擇電感峰峰值紋波電流與平均輸出電流（LIR）的比值。大小和損耗之間的一個很好的折衷是使用 0.3 到 0.6 之間的值作為 LIR 比率。但是，電感磁芯材料的交流特性以及電感電阻與其他電源路徑電阻的比值會影響LIR的選擇。如果使用薄型高電阻電感器（LCD面板應(yīng)用通常如此），則最佳LIR可能在0.5至1.0之間?？梢愿鶕?jù)工作區(qū)域和負(fù)載變化優(yōu)化進(jìn)一步的 LIR 選擇。選擇LIR后，電感值確定如下：

其中 V在為輸入電壓，V外是輸出電壓，I外為輸出電流，I在計(jì)算出的平均升壓輸入電流是 ？是升壓轉(zhuǎn)換器的效率，D是占空比，f西 南部是開關(guān)頻率。電感的飽和額定值必須超過2.25A的最大電流限值。

當(dāng)LIR為0.7，效率為90%時，計(jì)算出的電感值為2.5μH。 將此值轉(zhuǎn)換為最接近的標(biāo)準(zhǔn)值，對于本設(shè)計(jì)，請使用2.2μH的值。

反相穩(wěn)壓器電感器的選擇

反相穩(wěn)壓器的電感值可以使用以下公式選擇：

其中 V在為輸入電壓，V地中海為負(fù)輸出電壓，I地中海是輸出電流，LIR是所需的電感紋波比，f西 南部是開關(guān)頻率。

電感的飽和電流額定值必須超過2.25A的最大電流限值。

當(dāng)LIR為0.9時，計(jì)算出的電感值為5.9μH。對于此設(shè)計(jì)，我們使用4.7μH的值。

輸入電容選擇

輸入電容器的功能是保持IC的穩(wěn)定輸入電壓。必須使用足夠的輸入電容，以避免在 AVDD 或 NAVDD 輸出上遇到瞬變以及 AVDD 開關(guān)閉合時輸入壓降。如果IN電壓降至2.57V以下，器件可能會復(fù)位。因此，輸入電容必須防止這種情況發(fā)生。電容的總值取決于IN連接中的預(yù)期瞬變和串聯(lián)電阻。由兩個并聯(lián)的10μF陶瓷電容組成的輸入電容是本設(shè)計(jì)的良好起始值。在輸入和地之間增加一個較低值（0.1μF）的陶瓷電容也有助于吸收高頻電流。

輸出電容器

選擇輸出濾波電容的主要標(biāo)準(zhǔn)是低有效串聯(lián)電阻（ESR）。峰值電感電流與輸出濾波電容ESR的乘積決定了輸出電壓上高頻紋波的幅度。

在升壓輸出 HVINP 上，使用 420kHz 時至少 22μF 和 2.1MHz 時至少 10μF 的陶瓷電容器，以確保穩(wěn)定性。通過增加輸出電容，同時確保低ESR，可以進(jìn)一步降低輸出紋波。

為避免啟用 AVDD 時 HVINP 大幅下降，HVINP 節(jié)點(diǎn)上的電容應(yīng)至少是 AVDD 上的電容的 3 倍。

在本設(shè)計(jì)中，我們選擇一個 10μF 電容器用于 HVINP 引腳，同時在 AVDD 上放置 2.2μF。

選擇 NAVDD 輸出濾波電容器的主要標(biāo)準(zhǔn)是低 ESR 和電容值，因?yàn)樵撾娙萜髟趦?nèi)部開關(guān)導(dǎo)通時提供負(fù)載電流。NAVDD 輸出端的電壓紋波有兩個分量：ESR 引起的紋波和大容量電容引起的紋波。

NAVDD輸出端需要一個10μF陶瓷電容，以確保穩(wěn)定性。增加此外向電容可進(jìn)一步降低輸出紋波。

柵極驅(qū)動器電源

對于正電荷泵，請使用 22nF “飛行”電容器 CF1 和 CF2，連接在 FC2+/FC2- 之間和 FC1+/FC1- 之間。1μF的輸出電容是本設(shè)計(jì)限制輸出紋波的良好起點(diǎn)。例如，當(dāng)輸出電流為2mA時，采用1μF輸出電容時負(fù)載電流引起的輸出紋波將限制在2.1MHz時的1mV峰峰值。

負(fù)電荷泵使用外部跨接電容器和二極管。在此應(yīng)用中，需要兩個值為1μF的跨接電容器。

輸出紋波可以使用以下公式估算：

VCOM 緩沖區(qū)

VCOM 輸出電壓使用 I 進(jìn)行編程2C至-2.49V至+1V之間的值。該值也可以存儲在非易失性存儲器中，以減少啟動延遲。VCOM電壓設(shè)置的最高有效位位于VCOM25寄存器中，而最低有效位位于DELAY-DELAYVCOM_LSB寄存器中的vcom25_0位。要計(jì)算要寫入VCOM25寄存器的值，請使用以下公式：

對于此設(shè)計(jì)，在VCOM上設(shè)置100mV的值，方法是將1寫入vcom25_0位，0xBD寫入VCOM25寄存器。

NAVDD 外部二極管選擇

對于 NAVDD 外部二極管，峰值額定電流應(yīng)至少等于 LXN 電流限值 （2.25A）。二極管擊穿電壓額定值應(yīng)超過最大值V之和店和 V 的絕對值納維德.肖特基二極管提高了轉(zhuǎn)換器的整體效率。

我2C 接口

MAX25221包括一個I2C 2線串行接口由串行數(shù)據(jù)線（SDA）和串行時鐘線（SCL）組成。SDA和SCL有助于IC和主機(jī)之間以高達(dá)400kHz的時鐘速率進(jìn)行通信。主設(shè)備（通常是微控制器）生成 SCL 并在總線上啟動數(shù)據(jù)傳輸。

主器件與MAX25221通信，發(fā)送正確的從ID，附加R/W位，后跟寄存器地址和數(shù)據(jù)字（僅用于寫交易）。通過總線傳輸?shù)拿總€字長度為8位，并且始終后跟一個確認(rèn)時鐘脈沖。

IC的SDA線同時用作輸入和漏極開路輸出。SDA總線上需要一個大于1kO的上拉電阻。通常，電阻的選擇應(yīng)與總線電容成函數(shù)，使總線上的上升時間不大于120ns。IC的SCL線僅作為輸入工作。如果總線上有多個主站，或者單主站系統(tǒng)中的主站具有漏極開路SCL輸出，則SCL上需要大于1kO的上拉電阻。通常，對于 SCL 線路電阻器的選擇，適用與 SDA 相同的建議。符合 SDA 和 SCL 的串聯(lián)電阻器是可選的。SCL 和 SDA 輸入可抑制噪聲尖峰，以確保器件即使在嘈雜總線上也能正常工作。

非易失性存儲器

MAX25221包括5塊一次性可編程存儲器。用戶可以將0x07到0x15的易失性寄存器塊存儲在非易失性存儲器中。

非易失性存儲器的內(nèi)容受單糾錯/雙錯檢測（SECDED）冗余代碼保護(hù)，而從非易失性存儲器到寄存器0x07 0x15的數(shù)據(jù)傳輸則受奇偶校驗(yàn)保護(hù)。要將寄存器的內(nèi)容0x07存儲到非易失性存儲器0x15，請連接一個 8.5V ±2% 的電壓源，能夠?yàn)?VPROG 引腳提供超過 25mA 的電流。當(dāng)VPROG電壓穩(wěn)定時，寫入burn_otp_reg寄存器。執(zhí)行 NV 寫入命令后，應(yīng)檢查nv_flt位。

如果未使用非易失性存儲器，請將 VPROG 連接到 GND。

獨(dú)立模式

MAX25221在接通電源且EN引腳為高電平時以預(yù)編程值啟動。要選擇獨(dú)立模式，請斷開 ADD 引腳的連接。在此模式下，I2C 接口不可用，如果發(fā)生故障，F(xiàn)LTB 引腳將輸出 PWM 信號。

結(jié)論

TFT-LCD主導(dǎo)著汽車顯示器市場，隨著新技術(shù)的出現(xiàn)，它們正進(jìn)入競爭激烈的階段。大于 10 英寸的顯示器需要 TFT 偏置，以解決因尺寸和分辨率增加而產(chǎn)生的額外功率需求。在該設(shè)計(jì)方案中，我們演示了如何使用MAX25221開發(fā)滿足給定常見TFT-LCD要求的解決方案。它提供了一個強(qiáng)大的解決方案，具有最小的解決方案尺寸、出色的可配置性和預(yù)編程選項(xiàng)。

審核編輯：郭婷