MAX8740：高性能TFT - LCD升壓DC - DC轉(zhuǎn)換器的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

在電子設(shè)備中，TFT - LCD顯示屏的廣泛應(yīng)用對(duì)電源管理提出了更高的要求。MAX8740作為一款高性能的升壓DC - DC轉(zhuǎn)換器，為TFT - LCD提供了穩(wěn)定且高效的電源解決方案。下面我們就來深入了解一下MAX8740的特點(diǎn)、設(shè)計(jì)要點(diǎn)以及應(yīng)用注意事項(xiàng)。

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一、產(chǎn)品概述

MAX8740是一款專門為有源矩陣薄膜晶體管（TFT）液晶顯示器（LCD）提供穩(wěn)壓電源的高性能升壓DC - DC轉(zhuǎn)換器。它采用電流模式、固定頻率的脈沖寬度調(diào)制（PWM）電路，并內(nèi)置n溝道功率MOSFET，實(shí)現(xiàn)了高達(dá)90%的效率和快速的瞬態(tài)響應(yīng)。用戶可以通過邏輯輸入引腳（FREQ）選擇640kHz或1.2MHz的工作頻率，高開關(guān)頻率允許使用超小型電感器和低ESR陶瓷電容器。

主要特性

1. 高效轉(zhuǎn)換：效率可達(dá)90%，有效降低功耗。
2. 寬輸入電壓范圍：支持2.6V至5.5V的輸入電源，適應(yīng)多種供電場(chǎng)景。
3. 可調(diào)輸出電壓：輸出電壓可在VIN至28V之間調(diào)節(jié)，滿足不同TFT - LCD的需求。
4. 輸入欠壓鎖定：防止在輸入電壓過低時(shí)設(shè)備異常工作。
5. 可編程軟啟動(dòng)：通過外部電容實(shí)現(xiàn)軟啟動(dòng)，減少浪涌電流。
6. 低關(guān)斷電流：關(guān)斷電流僅0.1μA，降低待機(jī)功耗。
7. 小封裝：采用10引腳薄型DFN封裝，節(jié)省電路板空間。

二、電氣特性分析

1. 輸入輸出電壓范圍

輸入電壓范圍根據(jù)輸出電壓不同有所變化，當(dāng)VOUT < 18V時(shí)，輸入電壓范圍為2.6V至5.5V；當(dāng)18V < VOUT < 24V時(shí)，輸入電壓范圍為4.0V至5.5V，輸出電壓范圍最大可達(dá)28V。

2. 靜態(tài)電流與關(guān)斷電流

在不同條件下，靜態(tài)電流有所不同。例如，VFB = 1.3V且不開關(guān)時(shí)，典型靜態(tài)電流為0.22mA；VFB = 1.0V且開關(guān)、FREQ = GND時(shí)，靜態(tài)電流在2 - 5mA之間。關(guān)斷電流在SHDN = GND時(shí)，最大為10μA。

3. 誤差放大器與振蕩器

誤差放大器的FB調(diào)節(jié)電壓標(biāo)稱值為1.24V，輸入偏置電流在50 - 250nA之間。振蕩器頻率可通過FREQ引腳選擇，F(xiàn)REQ = GND時(shí)為640kHz（540 - 740kHz），F(xiàn)REQ = IN時(shí)為1.2MHz（1000 - 1500kHz），最大占空比為88 - 94%。

4. n溝道MOSFET特性

電流限制在VFB = 1V、71%占空比時(shí)為3.9 - 5.3A，導(dǎo)通電阻在不同輸入電壓下有所不同，VIN = 3V時(shí)典型值為0.11Ω，VIN = 5V時(shí)典型值為0.095Ω，漏電流在VLX = 28V時(shí)最大為55μA。

三、設(shè)計(jì)要點(diǎn)

1. 電感選擇

電感的選擇對(duì)于轉(zhuǎn)換器的性能至關(guān)重要。需要考慮最小電感值、峰值電流額定值和串聯(lián)電阻等因素，這些因素會(huì)影響轉(zhuǎn)換器的效率、最大輸出負(fù)載能力、瞬態(tài)響應(yīng)時(shí)間和輸出電壓紋波。一般來說，電感的峰值 - 峰值紋波電流與滿載電流下的平均直流電感電流之比（LIR）在0.3 - 0.5之間時(shí)，能在電感尺寸和電路效率之間取得較好的平衡。但根據(jù)電感磁芯材料的交流特性以及電感電阻與其他功率路徑電阻的比例，最佳LIR值可能會(huì)有所偏移。 計(jì)算電感值的公式為： [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)] 同時(shí)，要確保電感的飽和電流額定值和MAX8740的LX電流限制（ILIM）超過峰值電流IPEAK，電感的直流電流額定值超過最大直流輸入電流IIN(DC,MAX)，并且選擇串聯(lián)電阻小于0.1Ω的電感以提高效率。

2. 輸出電容選擇

輸出電壓紋波由電容紋波和歐姆紋波組成，電容紋波與輸出電容的充放電有關(guān)，歐姆紋波與電容的等效串聯(lián)電阻（ESR）有關(guān)。對(duì)于陶瓷電容，輸出電壓紋波通常由電容紋波VRIPPLE(C)主導(dǎo)。在選擇輸出電容時(shí)，需要考慮電壓額定值和溫度特性。 電容紋波計(jì)算公式為： [V{RIPPLE(C)} approx frac{I{OUT }}{C{OUT }}left(frac{V{OUT }-V{IN }}{V{OUT } f{OSC }}right)] 歐姆紋波計(jì)算公式為： [V{RIPPLE(ESR) } approx IPEAK R_{ESR(COUT) }]

3. 輸入電容選擇

輸入電容（CIN）的作用是減少從輸入電源汲取的電流峰值，并減少向IC注入的噪聲。在典型操作電路中使用10μF陶瓷電容，但實(shí)際應(yīng)用中，由于升壓調(diào)節(jié)器通常直接從另一個(gè)穩(wěn)壓電源的輸出運(yùn)行，源阻抗較低，CIN的值可以適當(dāng)減小。也可以使用RC低通濾波器將IN與CIN解耦，以確保IN處的低噪聲電源。

4. 整流二極管選擇

由于MAX8740的高開關(guān)頻率，需要使用高速整流二極管。肖特基二極管因其快速恢復(fù)時(shí)間和低正向電壓而被推薦用于大多數(shù)應(yīng)用。二極管的額定值應(yīng)能處理輸出電壓和峰值開關(guān)電流，其峰值電流額定值至少要達(dá)到電感選擇部分計(jì)算出的IPEAK，擊穿電壓要超過輸出電壓。

5. 輸出電壓選擇

MAX8740的輸出電壓可在VIN至28V之間調(diào)節(jié)。通過連接一個(gè)從輸出（VOUT）到GND的電阻分壓器，將中心抽頭連接到FB引腳來設(shè)置輸出電壓。選擇R2在10kΩ至50kΩ范圍內(nèi)，R1的計(jì)算公式為： [R 1=R 2 timesleft(frac{V{OUT }}{V{FB}}-1right)] 其中VFB為升壓調(diào)節(jié)器的反饋設(shè)定點(diǎn)，典型值為1.28V。

6. 環(huán)路補(bǔ)償

為了防止因不穩(wěn)定導(dǎo)致的輸出紋波過大和效率低下，電壓反饋環(huán)路需要進(jìn)行適當(dāng)?shù)难a(bǔ)償。通過從COMP引腳到GND串聯(lián)一個(gè)電阻（RCOMP）和電容（CCOMP），并從COMP引腳到GND連接另一個(gè)電容（CCOMP2）來實(shí)現(xiàn)。 RCOMP用于設(shè)置高頻積分器增益以實(shí)現(xiàn)快速瞬態(tài)響應(yīng)，CCOMP用于設(shè)置積分器零點(diǎn)以保持環(huán)路穩(wěn)定，CCOMP2用于抵消輸出電容ESR引入的零點(diǎn)。對(duì)于陶瓷輸出電容，由于ESR較小，CCOMP2可以是可選的。 計(jì)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. 軟啟動(dòng)電容

軟啟動(dòng)電容應(yīng)足夠大，以確保在輸出達(dá)到穩(wěn)定之前不會(huì)達(dá)到最終值。計(jì)算CSS的公式為： [frac{V{S S}>21 × 10^{-6} × C{OUT } × }{V{IN } × INRUSH -I{OUT } × V{OUT }}{V{IN } × INRUSH -I{OUT } × V{OUT }}] 負(fù)載需要等待軟啟動(dòng)周期結(jié)束后才能開始吸取大量負(fù)載電流，負(fù)載可以開始吸取最大負(fù)載電流的時(shí)間為： [tMAX =6.77 × 10^{5} × C_{SS}]

四、PCB布局與接地

1. 高電流環(huán)路

盡量減小高電流環(huán)路的面積，將電感器、整流二極管和輸出電容靠近輸入電容以及LX和GND引腳放置。高電流輸入環(huán)路從輸入電容的正端到電感器，再到IC的LX引腳，從GND引腳流出，最后回到輸入電容的負(fù)端；高電流輸出環(huán)路從輸入電容的正端到電感器，到整流二極管，再到輸出電容的正端，在輸出電容和輸入電容的接地端之間重新連接。使用短而寬的連接，避免在高電流路徑中使用過孔，如果無法避免，應(yīng)使用多個(gè)過孔并聯(lián)以降低電阻和電感。

2. 接地平面

創(chuàng)建一個(gè)由輸入和輸出電容接地端以及GND引腳組成的電源接地島（PGND），用短而寬的走線或小接地平面將它們連接在一起，以提高效率并減少輸出電壓紋波和噪聲尖峰。創(chuàng)建一個(gè)由反饋分壓器接地連接、COMP和SS電容接地連接以及設(shè)備的外露背面焊盤組成的模擬接地平面（AGND），將AGND和PGND島通過將GND引腳直接連接到外露背面焊盤來連接，避免在這兩個(gè)單獨(dú)的接地平面之間進(jìn)行其他連接。

3. 反饋電阻

將反饋電壓分壓器電阻盡可能靠近FB引腳放置，分壓器的中心走線應(yīng)保持短。避免將反饋?zhàn)呔€靠近LX，以免拾取開關(guān)噪聲。

4. 輸入旁路電容

將IN引腳旁路電容盡可能靠近設(shè)備放置，IN旁路電容的接地連接應(yīng)通過寬走線直接連接到GND引腳。

5. 輸出電容與負(fù)載連接

盡量減小輸出電容與負(fù)載之間走線的長度并增加其寬度，以獲得最佳的瞬態(tài)響應(yīng)。

6. LX節(jié)點(diǎn)

盡量減小LX節(jié)點(diǎn)的尺寸，同時(shí)保持其寬度和長度較短。使LX節(jié)點(diǎn)遠(yuǎn)離反饋節(jié)點(diǎn)和模擬接地，如果必要，可以使用直流走線作為屏蔽。

五、應(yīng)用場(chǎng)景

MAX8740適用于筆記本電腦顯示器和LCD監(jiān)視器面板等TFT - LCD應(yīng)用。在實(shí)際設(shè)計(jì)中，所有設(shè)計(jì)都應(yīng)在生產(chǎn)前進(jìn)行原型制作和測(cè)試，以確保滿足性能要求。

總之，MAX8740為TFT - LCD電源設(shè)計(jì)提供了一個(gè)高效、靈活的解決方案。在設(shè)計(jì)過程中，工程師需要根據(jù)具體的應(yīng)用需求，合理選擇外部組件，并注意PCB布局和接地，以充分發(fā)揮MAX8740的性能優(yōu)勢(shì)。你在使用MAX8740進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)遇到過哪些問題呢？歡迎在評(píng)論區(qū)分享你的經(jīng)驗(yàn)和見解。