SGM37601：高性能6通道LED驅(qū)動芯片的設(shè)計與應(yīng)用

在當(dāng)今的電子設(shè)備中，LED背光技術(shù)應(yīng)用廣泛，從平板電腦到筆記本電腦，都離不開高效可靠的LED驅(qū)動芯片。SG Micro Corp推出的SGM37601就是一款專門為LED陣列提供背光電源的高性能芯片，下面我們就來詳細(xì)了解一下它的特點、功能及應(yīng)用。

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一、芯片概述

SGM37601是一款6通道LED驅(qū)動芯片，采用峰值電流模式控制，每串最多支持12個串聯(lián)LED。它具備高達(dá)40V的輸出電壓，輸入電壓范圍為2.8V至24V，能夠適應(yīng)多種電源環(huán)境。芯片內(nèi)部集成了6個電流沉，電流匹配精度可達(dá)±1.2%，確保了LED串之間的亮度均勻性。通過I2C接口，用戶可以靈活設(shè)置LED電流、開關(guān)頻率和調(diào)光模式，同時還具備多種保護(hù)功能，保障了芯片的穩(wěn)定運(yùn)行。

二、主要特性

2.1 電壓特性

• 寬輸入電壓：支持2.8V至24V的輸入電壓范圍，這使得它可以適配多種電源，增加了應(yīng)用的靈活性。
• 高輸出電壓：最高可達(dá)40V的輸出電壓，能夠滿足大多數(shù)LED陣列的供電需求。

2.2 電流特性

• 可編程LED電流：每通道的LED電流可在6mA至25mA之間進(jìn)行編程，且電流精度可達(dá)±2%，匹配精度為±1.2%，保證了LED的亮度一致性。

2.3 調(diào)光特性

支持多種調(diào)光模式，包括直接PWM調(diào)光、PWM到模擬調(diào)光、PWM到混合調(diào)光以及PWM到混合 - 26kHz調(diào)光。不同的調(diào)光模式和頻率范圍可以滿足不同應(yīng)用場景的需求，例如在需要高刷新率的顯示中，較高的PWM頻率可以提供更好的調(diào)光效果。

2.4 開關(guān)頻率特性

開關(guān)頻率可在100kHz至1.6MHz之間進(jìn)行編程，通過合理選擇開關(guān)頻率，可以在效率和元件尺寸之間取得平衡。較高的開關(guān)頻率可以使用更小的電感和電容，但可能會增加開關(guān)損耗；較低的開關(guān)頻率則反之。

2.5 保護(hù)特性

具備多種保護(hù)功能，如LED串開路、LED過壓和短路保護(hù)、逐周期過流保護(hù)、可編程輸出過壓保護(hù)（默認(rèn)36V）以及可編程過溫保護(hù)等。這些保護(hù)功能可以有效防止芯片在異常情況下?lián)p壞，提高了系統(tǒng)的可靠性。

三、引腳配置與功能

SGM37601提供了TQFN - 3.5×3.5 - 20L和TQFN - 3×3 - 24L兩種封裝形式，不同封裝的引腳配置略有不同，但主要功能相似。下面介紹一些關(guān)鍵引腳的功能：

• SDA和SCL：I2C接口的數(shù)據(jù)和時鐘線，用于與外部控制器進(jìn)行通信，實現(xiàn)對芯片參數(shù)的設(shè)置。
• VIN：設(shè)備的電源輸入引腳，為芯片提供工作電壓。
• VOUT：升壓轉(zhuǎn)換器的輸出引腳，為LED陣列提供電源。
• LED1 - LED6：6個LED電流沉引腳，分別連接到6個LED串，用于控制LED的電流。
• PWM：PWM調(diào)光信號輸入引腳，用于實現(xiàn)LED的調(diào)光控制。

四、工作模式與控制

4.1 軟啟動功能

當(dāng)輸入電壓VIN超過欠壓鎖定（UVLO）閾值，且使能引腳EN電壓高于邏輯高電平時，內(nèi)部VDC軌會被調(diào)節(jié)到約3.3V。芯片的軟啟動功能會在VIN、EN和PWM信號準(zhǔn)備好后自動激活，LED電流會在短暫延遲后線性上升到由ILED[7:0]位設(shè)置的目標(biāo)值。軟啟動的持續(xù)時間會根據(jù)工作模式（PWM或混合模式）和PWM占空比而變化，確保了亮度的平滑過渡。

4.2 亮度控制

• I2C接口控制：通過I2C接口，可以對每個通道的輸出電流進(jìn)行精確編程。在REG0x01寄存器的8位ILED[7:0]位字段中設(shè)置LED電流，提供了191個數(shù)字步長，分辨率為0.1mA/步，00h表示設(shè)置為0mA。
• PWM引腳控制：SGM37601提供了四種可配置的調(diào)光模式，通過REG0x00寄存器的DMS[1:0]位進(jìn)行選擇。
  • PWM調(diào)光模式（DMS[1:0] = 00）：電流源與PWM信號同步，LED電流頻率與PWM輸入頻率匹配。
  • DC調(diào)光模式（DMS[1:0] = 01）：引入了兩個周期的延遲，第一個周期檢測PWM占空比，第二個周期計算LED電流參考，第三個周期開始通道電流的漸變。
  • 混合調(diào)光模式（DMS[1:0] = 10）：結(jié)合了模擬和PWM調(diào)光。當(dāng)PWM占空比在25%至100%之間時，采用DC調(diào)光；當(dāng)占空比低于25%時，切換到PWM調(diào)光，電流固定為滿量程值的25%，有效調(diào)光占空比變?yōu)檩斎隤WM占空比的四倍。
  • 混合 - 26kHz調(diào)光模式（DMS[1:0] = 11）：與混合模式類似，但以固定的26kHz高頻運(yùn)行，確保了無噪音操作。

4.3 LED自適應(yīng)控制

芯片會持續(xù)監(jiān)測所有LEDx引腳的電壓，并通過誤差放大器（EA）選擇最小值進(jìn)行反饋。這確保了最低的LED引腳電壓保持在約500mV（默認(rèn)值），使升壓轉(zhuǎn)換器能夠調(diào)節(jié)輸出以匹配所有LED串中的最高正向電壓。通過I2C使用LED_HEADROOM[1:0]位可以配置頭電壓，最大可配置頭電壓為560mV。

4.4 升壓開關(guān)頻率設(shè)置

通過I2C接口，使用BOOST_FSW[3:0]位可以對升壓轉(zhuǎn)換器的開關(guān)頻率進(jìn)行編程，范圍為100kHz至1.6MHz。不同的開關(guān)頻率設(shè)置可以根據(jù)具體應(yīng)用需求進(jìn)行調(diào)整，以優(yōu)化效率和性能。

4.5 SW斜率控制

通過SW_RATE[1:0]位，芯片提供了可編程的SW斜率控制，能夠優(yōu)化開關(guān)邊緣速率，減少高頻噪聲，滿足電磁干擾（EMI）要求。

4.6 PFM功能

SGM37601支持脈沖頻率調(diào)制（PFM）模式，通過REG0x03寄存器的EN_PFM位啟用。PFM模式可以在輕載條件下降低開關(guān)損耗，提高效率。通過PFM_LOWEST_FSW[5:0]位可以配置最低PFM開關(guān)頻率，避免音頻敏感應(yīng)用中的噪聲問題。進(jìn)入和退出PFM模式分別由TON_L_PFM[2:0]和TON_H_PFM[2:0]位控制，同時PFM_SLOW_EN位可以控制頻率變化速率，提高頻率調(diào)制時的穩(wěn)定性。

4.7 淡入/淡出時間控制

通過I2C寄存器REG0x08可以配置淡入/淡出參數(shù)。FTIME_THD位設(shè)置自適應(yīng)淡入控制的占空比閾值，當(dāng)該位為0時，在占空比低于12.5%時進(jìn)行步長時間調(diào)整；當(dāng)為1時，在占空比低于25%時進(jìn)行調(diào)整。低于閾值時，步長時間由FTIME_SEL1[2:0]控制；高于閾值時，由FTIME_SEL2[2:0]控制。最大可配置淡入/淡出時間為16384μs，實現(xiàn)了亮度的平滑過渡。

4.8 升壓環(huán)路補(bǔ)償

芯片提供了內(nèi)部和外部補(bǔ)償模式，通過SET_BOOST位進(jìn)行配置。默認(rèn)情況下啟用內(nèi)部補(bǔ)償，通過I2C編程RCOMP_SEL[1:0]位可以實時調(diào)整環(huán)路特性，方便系統(tǒng)調(diào)試。對于需要更高精度的應(yīng)用，可以采用外部補(bǔ)償，通過連接到COMP引腳的RC網(wǎng)絡(luò)和GM_OPTION[1:0]位進(jìn)行跨導(dǎo)微調(diào)，優(yōu)化瞬態(tài)響應(yīng)和穩(wěn)定性。同時，通過SLOP_COMP_SEL[1:0]位可以實時調(diào)整斜率補(bǔ)償，適應(yīng)不同的應(yīng)用條件。

4.9 MTP功能

SGM37601支持多次可編程（MTP）內(nèi)存，用于參數(shù)存儲和檢索。通過I2C接口和REG0xFF寄存器進(jìn)行MTP編程和讀取。寫入MTP內(nèi)存需要5V的電源電壓。上電時，MTP中存儲的默認(rèn)值會加載到相應(yīng)的IC控制寄存器中。在運(yùn)行過程中，可以直接通過I2C寄存器調(diào)整設(shè)備設(shè)置，而無需修改MTP數(shù)據(jù)。要更新非易失性MTP默認(rèn)值，先將所需配置寫入I2C寄存器，然后將值0x80寫入地址REG0xFF。

五、保護(hù)功能

5.1 欠壓鎖定（UVLO）

芯片的VIN UVLO閾值可通過VIN_UVLO[1:0]位進(jìn)行編程，默認(rèn)值為2.7V。當(dāng)輸入電壓超過配置的UVLO閾值時，設(shè)備開始工作；當(dāng)輸入電壓低于2.49V時，設(shè)備關(guān)閉。最大可編程UVLO閾值為3.8V。

5.2 LED開路檢測

當(dāng)LED通道的引腳電壓低于130mV的進(jìn)入閾值時，芯片會識別該通道為開路。故障通道會自動禁用，并從最小電壓選擇中排除，以確保其余有效通道的正常調(diào)節(jié)。當(dāng)引腳電壓重新連接并高于退出閾值時，正常操作將恢復(fù)。未使用的LEDx引腳可以懸空或連接到AGND，但需要確保足夠的抗噪能力，以防止誤觸發(fā)。如果所有LEDx通道都開路，輸出電壓將被鉗位在編程的過壓保護(hù)（OVP）水平，以確保系統(tǒng)安全。

5.3 通道LED OVP電平

芯片會持續(xù)監(jiān)測所有LEDx通道的最小電壓。當(dāng)該電壓超過配置的LED OVP閾值時，內(nèi)部開關(guān)會被禁用；當(dāng)最小LEDx電壓回落到OVP閾值以下時，開關(guān)會重新啟用。因此，最小LEDx電壓會被有效地鉗位在編程的OVP水平，防止過電壓和LED熱損壞。OVP閾值可通過LED_OVP[1:0]位進(jìn)行編程。

5.4 通道LED短路保護(hù)

芯片具備LED短路保護(hù)（SLP）功能。在運(yùn)行過程中，如果任何LEDx引腳的電壓超過約5.5V，該通道會立即關(guān)閉并鎖定到保護(hù)狀態(tài)。通過LED_SHORT控制位可以啟用或禁用SLP功能。由于短路事件而鎖定的通道可以通過切換EN引腳或通過UVLO周期進(jìn)行復(fù)位。

5.5 電流限制保護(hù)

芯片通過限制電感峰值電流提供過流保護(hù)（OCP）。在導(dǎo)通時間內(nèi)，芯片會感測電感電流，并通過將感測到的電流信號與內(nèi)部斜率補(bǔ)償和誤差放大器輸出進(jìn)行比較來確定占空比。峰值電流限制閾值可通過ILIM_SEL[1:0]位進(jìn)行配置，以適應(yīng)不同的應(yīng)用需求。如果電感電流超過設(shè)定的限制，設(shè)備會立即停止當(dāng)前周期的開關(guān)操作，在下一個開關(guān)周期開始時恢復(fù)正常操作。如果過流條件持續(xù)存在，芯片將反復(fù)在限流狀態(tài)下運(yùn)行。

5.6 過壓保護(hù)

芯片的過壓保護(hù)（OVP）功能可通過I2C接口進(jìn)行配置。保護(hù)機(jī)制使用比較器監(jiān)測OVP引腳的電壓。當(dāng)該電壓超過編程的OVP閾值時，設(shè)備會在幾微秒的延遲后進(jìn)入保護(hù)狀態(tài)，停止開關(guān)操作，以停止能量從輸入到輸出的傳輸。當(dāng)OVP引腳電壓下降指定的滯后值時，升壓轉(zhuǎn)換器將恢復(fù)正常開關(guān)操作。OVP閾值電壓可通過OVP[4:0]配置位進(jìn)行編程。

5.7 過溫保護(hù)

當(dāng)芯片的結(jié)溫超過通過OTP_OPTION[1:0]位配置的閾值時，過溫保護(hù)（OTP）會被激活。觸發(fā)后，芯片會立即停止開關(guān)操作。當(dāng)結(jié)溫下降典型的20°C滯后值時，升壓轉(zhuǎn)換器會自動重啟，LED驅(qū)動器恢復(fù)正常操作。

六、應(yīng)用信息

6.1 元件選擇

• 輸入電容：整個控制器的輸入分為兩部分，升壓轉(zhuǎn)換器的輸入建議在VIN引腳和PGND引腳之間盡可能靠近地放置一個4.7μF的陶瓷電容，以提供連續(xù)的電流。芯片的輸入可以配置一個RC濾波器，使用10Ω的電阻和1μF的電容來抑制高頻噪聲，防止欠壓鎖定（UVLO）的誤觸發(fā)。
• 輸出電容：輸出電容需要滿足紋波電壓要求。紋波電壓由電容充放電引起的電壓變化和電感電流紋波與輸出電容等效串聯(lián)電阻（ESR）的乘積兩部分組成。需要確保電容的ESR足夠低，以防止過多的功率損耗和熱應(yīng)力。可以根據(jù)公式計算輸出紋波電壓。
• 電感：電感的選擇應(yīng)根據(jù)輸入電壓、輸出電壓、LED通道電流和開關(guān)頻率進(jìn)行配置。通常建議使用10μH或4.7μH的電感。電感值可以通過公式計算。此外，還需要考慮電感的DCR（直流電阻）、飽和電流和額定電流，確保飽和電流大于應(yīng)用場景中電感電流的最大可能峰值。
• 二極管：對于異步升壓轉(zhuǎn)換器，建議使用結(jié)電容較低、恢復(fù)時間較短和VF較低的肖特基二極管作為整流二極管。所選肖特基二極管的平均電流應(yīng)大于所有通道的最大電流之和，并留有一定的余量。同時，其耐壓能力應(yīng)大于OVP的設(shè)定值，并留有一定的余量。

6.2 環(huán)路補(bǔ)償

SGM37601默認(rèn)采用內(nèi)部補(bǔ)償，可通過RCOMP_SEL[1:0]位針對不同應(yīng)用進(jìn)行優(yōu)化。當(dāng)采用外部補(bǔ)償時，需要精心設(shè)計網(wǎng)絡(luò)，以確保環(huán)路穩(wěn)定性，在目標(biāo)交叉頻率處實現(xiàn)高直流增益和足夠的相位裕度。選擇RCOMP來優(yōu)化高頻積分器增益以提高瞬態(tài)性能，選擇CCOMP來定位積分器零點以確保環(huán)路穩(wěn)定性。GM_OPTION[1:0]位還可以進(jìn)一步調(diào)整內(nèi)部跨導(dǎo)，共同配置整體環(huán)路響應(yīng)。對于典型應(yīng)用，提供了不同模式下的推薦補(bǔ)償值。在補(bǔ)償設(shè)計中，需要平衡轉(zhuǎn)換器的帶寬和穩(wěn)定性。在DC模式下，建議使用Case 2補(bǔ)償以提高穩(wěn)定性；在PWM模式下，較高的帶寬（Case 1）可以改善紋波性能，但需要仔細(xì)考慮輸入電壓范圍。如果瞬態(tài)響應(yīng)不是關(guān)鍵因素，Case 2可以在兩種工作模式下使用。

6.3 布局考慮

良好的PCB布局對于功率開關(guān)轉(zhuǎn)換器電路至關(guān)重要。為了最大化SGM37601的性能，應(yīng)嚴(yán)格遵循以下布局準(zhǔn)則：

• 將功率元件L?、D?、C_VIN和C_out緊密放置在一起，以最小化交流電流環(huán)路。由于操作過程中電流較大，這些元件之間的PCB走線應(yīng)盡可能短而寬。
• 將L?和D?靠近SW引腳放置，走線要短而寬。
• 將C_VIN（輸入電容）靠近VIN引腳放置。
• 將C_out（輸出電容）靠近VOUT引腳放置。
• 如果采用外部補(bǔ)償，將補(bǔ)償元件靠近COMP引腳放置。

七、總結(jié)

SGM37601是一款功能強(qiáng)大、性能優(yōu)越的6通道LED驅(qū)動芯片，具有寬輸入電壓范圍、高輸出電壓、可編程LED電流、多種調(diào)光模式、豐富的保護(hù)功能等特點。通過合理選擇元件、優(yōu)化環(huán)路補(bǔ)償和精心設(shè)計PCB布局，可以充分發(fā)揮芯片的性能，滿足各種LED背光應(yīng)用的需求。電子工程師在設(shè)計過程中，需要根據(jù)具體的應(yīng)用場景和要求，靈活配置芯片的參數(shù)，確保系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。你在使用SGM37601芯片的過程中遇到過哪些問題呢？你又是如何解決的呢？歡迎在評論區(qū)分享你的經(jīng)驗。