SGM3810：助力TFT LCD的雙輸出電源Boost WLED驅(qū)動芯片

在電子設(shè)備的世界里，顯示技術(shù)的發(fā)展日新月異，TFT LCD作為主流顯示技術(shù)之一，對其背后的驅(qū)動芯片提出了更高的要求。SGM3810便是一款專為TFT LCD設(shè)計的集成式Boost模式WLED驅(qū)動芯片，具備單電感雙輸出（SIDO）拓撲的LCD偏置電源，下面就為大家詳細介紹這款芯片。

文件下載：SGM3810.pdf

一、芯片概述

SGM3810集成了異步Boost WLED驅(qū)動器，具有高效率、低EMI和高輸出電壓的特點。其內(nèi)置的32V、1.6A內(nèi)部FET，能以1.25MHz的開關(guān)頻率工作，強大的驅(qū)動能力可驅(qū)動單條或多條并聯(lián)LED串，適用于智能手機背光源和平板電腦背光源等LED驅(qū)動應(yīng)用。

芯片通過外部電流檢測電阻 (R_{SET}) 對最大LED電流進行編程，并通過 (I^{2}C) 接口調(diào)節(jié)LEDFB引腳電壓 (V{FB})（以200mV的百分比形式）來設(shè)置LED電流。同時，它利用單電感雙輸出轉(zhuǎn)換器生成正負精密調(diào)節(jié)的電壓電源，輸出電壓在4.0V - 6.4V和 -4.0V - -6.4V范圍內(nèi)以100mV為步進可編程，適用于LCD顯示器驅(qū)動以及其他需要不同負載的雙軌電路。芯片輸入電壓范圍為2.5V - 5.5V，在升壓 - 反相器模式下優(yōu)化負載為100mA，也可在降壓 - 反相器模式下工作。此外，它還具備完善的保護功能，如開路LED保護、過流/過壓保護和熱關(guān)斷保護。

二、芯片特性

（一）WLED驅(qū)動特性

• 異步Boost拓撲：采用異步Boost拓撲結(jié)構(gòu)，為LED驅(qū)動提供穩(wěn)定的電源。
• 12位調(diào)光控制分辨率：可實現(xiàn)精細的調(diào)光控制，滿足不同場景下的亮度需求。
• 集成32V、1.6A電流限制MOSFET：確保在高電壓和大電流情況下的穩(wěn)定工作。
• 32V開路LED保護：可對串聯(lián)的10個LED進行開路保護，增強了系統(tǒng)的可靠性。
• 最高90%的效率：有效降低功耗，提高能源利用率。
• 1.25MHz開關(guān)頻率：高頻開關(guān)有助于減小外部元件的尺寸。

（二）LCD偏置特性

• 單電感實現(xiàn)正負輸出：獨特的單電感設(shè)計，在實現(xiàn)正負輸出的同時，節(jié)省了電路板空間。
• 正負輸出可編程：正輸出在4.0V - 6.4V范圍內(nèi)可編程，負輸出在 -4.0V - -6.4V范圍內(nèi)可編程，且在 (V_{IN }> 3.0V) 時，(VVPO) 和 (VVNO) 可提供120mA的輸出電流。
• 1%的輸出電壓精度：保證了輸出電壓的穩(wěn)定性和準確性。
• 1.2MHz開關(guān)頻率：與WLED驅(qū)動的開關(guān)頻率不同，可減少相互干擾。
• 可配置的主動放電功能：方便在關(guān)機時對輸出進行放電。

（三）其他特性

• (I^{2}C) 接口：采用1.2V邏輯的 (I^{2}C) 接口，便于與其他設(shè)備進行通信和控制。
• 欠壓鎖定（UVLO）：當輸入電壓低于設(shè)定閾值時，芯片自動鎖定，防止異常工作。
• 過溫保護（OTP）：當芯片溫度過高時，自動進入熱關(guān)斷狀態(tài)，保護芯片不受損壞。
• 短路保護（SCP）：在輸出短路時，及時保護芯片，避免損壞。
• 綠色WLCSP - 1.1×1.75 - 15B封裝：符合環(huán)保要求，且封裝尺寸小，適合小型化設(shè)備。

三、應(yīng)用領(lǐng)域

SGM3810適用于智能手機、平板電腦和PAD等設(shè)備，為這些設(shè)備的TFT LCD提供穩(wěn)定的背光和偏置電源。

四、電氣特性

（一）輸入電壓和電流

輸入電壓范圍為2.5V - 5.5V，在不同工作狀態(tài)下，芯片的電流消耗有所不同。無負載時，電源電流在0.3 - 0.5mA之間；關(guān)機狀態(tài)下，電流僅為0.3 - 1.0μA。

（二）WLED驅(qū)動參數(shù)

開關(guān)頻率為1.1 - 1.4MHz，最大Boost占空比為93.2% - 94.5%，開關(guān)MOSFET電流限制為1.05 - 2.2A，N溝道MOSFET導(dǎo)通電阻為0.35Ω，輸出過壓閾值為31.5 - 33V。

（三）SIDO偏置轉(zhuǎn)換器參數(shù)

開關(guān)頻率為1.05 - 1.35MHz，電感峰值電流為1.3 - 1.9A，正輸出電壓范圍為4.0 - 6.4V，負輸出電壓范圍為 -6.4 - -4.0V，輸出電流能力在 (V_{IN}=3.0V) 時可達120mA，輸出電壓精度在±45 - ±50mV之間，輸出紋波和負載調(diào)節(jié)性能良好。

（四）數(shù)字接口和熱關(guān)斷參數(shù)

(I^{2}C) 時鐘頻率為10 - 1000kHz，低電平輸入電壓為0.36V，高電平輸入電壓為0.8V。熱關(guān)斷閾值為150℃，熱關(guān)斷遲滯為20℃。

五、典型應(yīng)用與元件選擇

（一）典型應(yīng)用電路

文檔中給出了SGM3810的典型應(yīng)用電路，包括輸入電容、電感、二極管和輸出電容等元件的連接方式。通過合理選擇這些元件，可以優(yōu)化芯片的性能。

（二）元件選擇建議

• 電容：推薦使用X5R、X7R等低損耗的陶瓷電容，如CIN1選用22μF、16V、0603規(guī)格的電容，CIN2、CPO、CVPO和CVNO選用10μF、16V、0603規(guī)格的電容，CLED+選用1μF、50V、0402規(guī)格的電容。
• 電感：L1推薦使用10μH的電感，L2推薦使用4.7μH的電感。
• 二極管：建議選用具有低正向電壓、快速反向恢復(fù)速度和低結(jié)電容的肖特基二極管，如NXP的PMEG4010EH。

六、功能詳細解析

（一）使能與軟啟動

SGM3810通過邏輯電平輸入HWEN來控制芯片的使能和禁用。當HWEN為低且輸入電壓高于UVLO上升閾值時，芯片處于禁用狀態(tài)；當HWEN為高時，芯片啟用，允許進行 (I^{2}C) 寫入操作。芯片還集成了軟啟動功能，通過限制GM/EA放大器的輸出電壓，確保Boost轉(zhuǎn)換器和SIDO轉(zhuǎn)換器的輸出電壓緩慢上升，避免浪涌電流。

（二）開路LED保護

在LED或 (R_{SET}) 斷開時，開路LED保護功能會關(guān)閉WLED驅(qū)動器，防止芯片損壞。芯片會在每個開關(guān)周期監(jiān)測LEDSW引腳的電壓，當該電壓連續(xù)8個周期超過 (V{ovP}) 閾值時，關(guān)閉開關(guān)FET并關(guān)閉WLED驅(qū)動器。

（三）WLED驅(qū)動器關(guān)機

將WLED_EN位設(shè)置為0時，WLED驅(qū)動器進入關(guān)機模式，內(nèi)部開關(guān)FET停止工作，芯片處于低損耗狀態(tài)。同時，LED陣列的最小正向電壓應(yīng)高于最大輸入電壓，以避免直流電流路徑導(dǎo)致LED陣列異常工作。

（四）WLED電流編程

通過外部電流檢測電阻 (R{SET}) 和 (I^{2}C) 接口，可以對LED電流進行編程。LED電流計算公式為 (LED =frac{V{FB}}{R{SET}})，其中 (V{FB}) 由內(nèi)部參考電壓 (V_{REF_LED}) 決定，最大為200mV。

（五）LCD偏置VPO和VNO

芯片提供正負兩個獨立的電源軌，用于為TFT LCD顯示器供電。采用獨特的SIDO控制方案，可抑制兩軌之間的負載交叉干擾。輸出電壓可通過 (V_{POSET}[4:0]) 和 (V{NO_SET}[4:0]) 位進行編程，關(guān)機時可對VPO和VNO進行放電，放電功能可通過寫入DISP和DISN位進行控制。

（六）故障標志

SGM3810會監(jiān)測故障事件，并在故障標志寄存器中指示，如WLED過壓、VPO短路、VNO短路、VPO過壓、VNO過壓和熱關(guān)斷等。

（七）欠壓鎖定和過流保護

芯片集成了欠壓鎖定功能，當VIN引腳電壓超過UVLO上升閾值時，芯片啟用；當VIN電壓低于UVLO下降閾值時，芯片禁用。同時，芯片還具備過流保護功能，通過監(jiān)測電感電流，當電流超過限制時，關(guān)閉充電開關(guān)，使電感放電。

（八）LCD偏置短路保護

當VPO或VNO輸出短路到地時，SIDO轉(zhuǎn)換器的電流限制會降低到750mA。若出現(xiàn)VPO或VNO輸出未調(diào)節(jié)、輸出電壓偏離設(shè)定值等情況，轉(zhuǎn)換器會關(guān)閉。

（九）EMI和聲學(xué)干擾

為了減少芯片工作時的EMI，可在輸入電源路徑中插入鐵氧體磁珠，并確保線路路徑短而直接。

七、I2C串行接口與數(shù)據(jù)通信

SGM3810采用標準的 (I^{2}C) 接口進行參數(shù)編程和狀態(tài)報告。 (I^{2}C) 是一種兩線串行通信接口，可實現(xiàn)主設(shè)備與從設(shè)備之間的雙向通信。芯片作為從設(shè)備，地址為0x36，具有六個8位寄存器。

（一）物理層

總線線路通過上拉電阻拉高，空閑時處于邏輯高電平狀態(tài)。SDA引腳為開漏輸出，芯片不支持通用調(diào)用。

（二）數(shù)據(jù)通信

• 起始和停止條件：主設(shè)備在總線空閑時通過產(chǎn)生起始條件控制總線，數(shù)據(jù)傳輸完成后通過產(chǎn)生停止條件釋放總線。
• 數(shù)據(jù)位傳輸和有效性：數(shù)據(jù)位在時鐘高電平期間必須保持穩(wěn)定，SDA狀態(tài)只能在時鐘低電平時改變。
• 字節(jié)格式：數(shù)據(jù)以8位數(shù)據(jù)包的形式傳輸，每個數(shù)據(jù)包后跟隨一個確認位，用于告知發(fā)送方接收方是否準備好接收下一個字節(jié)。
• 確認和非確認：接收方在每個字節(jié)傳輸后回復(fù)確認位，告知發(fā)送方是否繼續(xù)傳輸數(shù)據(jù)。
• 數(shù)據(jù)方向位和尋址從設(shè)備：主設(shè)備發(fā)送的第一個字節(jié)包含目標從設(shè)備地址和數(shù)據(jù)方向位（R/W），用于指示讀寫操作。

（三）多讀寫操作

SGM3810支持多讀寫操作，在多寫操作中，主設(shè)備發(fā)送的每個新數(shù)據(jù)字節(jié)會寫入設(shè)備的下一個寄存器；在多讀操作中，主設(shè)備接收第一個寄存器數(shù)據(jù)后，通過回復(fù)確認位請求從設(shè)備發(fā)送下一個寄存器數(shù)據(jù)。

八、寄存器映射

SGM3810的寄存器均為8位，包括VPO_SET、VNO_SET、VREF_LB、VREF_HB、ENABLE和FLAG等寄存器，用于設(shè)置輸出電壓、亮度調(diào)光、使能控制和故障標志等。

九、應(yīng)用信息與布局考慮

（一）布局考慮

在設(shè)計SGM3810的電路板布局時，需要注意以下幾點：

• 減小開關(guān)節(jié)點面積：開關(guān)引腳（LED_SW、SWP和SWN）承載高電流且上升和下降沿較快，應(yīng)盡量減小開關(guān)節(jié)點的面積，以降低EMI。
• 縮短電流路徑：高電流路徑應(yīng)盡可能寬且短，以減少線路上的電壓降和熱損耗。
• 合理放置電容：輸入電容CIN1和CIN2應(yīng)靠近VIN引腳和PGND引腳，輸出電容CVPO和CVNO應(yīng)靠近VPO和VNO引腳，以減少寄生參數(shù)的影響。
• 優(yōu)化信號接地：信號接地應(yīng)使用短走線，并與電源接地走線分開，在靠近PGND引腳處單點連接。

（二）布局示例

文檔中給出了SGM3810的PCB布局示例，包括頂層和底層的布局圖，為實際設(shè)計提供了參考。

十、總結(jié)

SGM3810是一款功能強大的TFT LCD偏置電源和WLED驅(qū)動芯片，具有高效率、低EMI、高輸出電壓和完善的保護功能等特點。通過合理選擇元件和優(yōu)化布局，可以充分發(fā)揮芯片的性能，為TFT LCD顯示設(shè)備提供穩(wěn)定可靠的電源解決方案。在實際應(yīng)用中，電子工程師需要根據(jù)具體需求，深入理解芯片的特性和工作原理，靈活運用芯片的各項功能，以實現(xiàn)最佳的設(shè)計效果。大家在使用SGM3810的過程中，是否遇到過一些獨特的問題或有一些巧妙的應(yīng)用技巧呢？歡迎在評論區(qū)分享交流。