用于汽车LTPS显示器的高度集成TFT偏置设计

TFT-LCD主导着汽车显示器市场，随着新技术的出现，它们正进入竞争激烈的阶段。大于 10 英寸的显示器需要 TFT 偏置，以解决因尺寸和分辨率增加而产生的额外功率需求。在本设计方案中，我们将展示如何使用MAX25221开发基于常见TFT-LCD设计考虑因素的功能电路。这款带有VCOM缓冲器的TFT-LCD电源IC在稳健的解决方案、最小的解决方案尺寸、良好的可配置性和预编程选项之间实现了平衡。

介绍

现代汽车包含许多显示器，从仪表盘中的实现到中控台触摸屏、后座娱乐系统等。庞大的汽车显示市场由TFT-LCD技术主导，而OLED可能在未来发挥重要作用。在这种竞争激烈的环境中，TFT-LCD具有高电流和精度需求。

典型的TFT-LCD显示系统

图2显示了典型汽车显示器的简化框图。显示器通过多个电源轨接收电源，通过千兆多媒体串行链路（GMSL）接收视频信号，将串行LVDS数据转换为RGB格式的并行接口。高压降压转换器提供主 5V 或 3.3V 电源轨，为其余低压电路供电，而高压 LDO 为 MCU 提供始终导通电源。然而，随着TFT-LCD尺寸和分辨率的增加，面板功耗和电压精度对于正确的显示控制变得更加重要。

图2.TFT-LCD显示屏简单的框图。

TFT偏置子系统

汽车显示器的尺寸和分辨率正在增加。因此，即使主解决方案包含源驱动器或TCON，TFT偏置模块也是汽车显示解决方案的核心组件，有助于解决额外的功率需求。图3给出了使用TFT偏置器件（如MAX25221）时的详细TFT偏置框图电路。MAX25221解决了显示模块面临的一些常见设计挑战。首先，它为更大的显示器提供更高的电流。其次，它提供可编程的VCOM电压，从而减轻了调谐以适应面板之间不同VCOM需求的难度。这种VCOM与通过同步AVDD和集成VGON二极管消除二极管相结合，所有这些都导致最小的组件需求或多芯片解决方案。MAX25221提供2.1MHz开关和鲁棒扩频，降低电磁干扰（EMI），继续超越竞争对手。最后，MAX25221提供AVDD正和负源电压。具有双极性 AVDD 源电压的面板允许面板的参考电压 （VCOM） 保持在接近零的水平，而不是单极性 AVDD 值的一半，从而对像素产生净零效应。这种净零效应对于减少图像保留问题非常重要。双极性 AVDD 源电压电源通常与更高性能的面板（如低温多晶硅 （LTPS） 面板）相关联。

图3.TFT偏置详细框图。

设计示例

表 1.设计参数

设计参数	价值
输入电压范围	3V 至 3.6V
升压输出电压/电流	6.8V/0.2A
逆变器输出电压/电流	-6.8V/-0.2A
VGON	225
维戈夫	-10V
威康	-0.5 至 +0.5V
开关频率	2.1兆赫

表 2.组件列表

参考	价值	描述
输入	2x10μF	电容器， 陶瓷， 6V， X7R
L1	2.2微小时	电感， +20%， 2.3A
L2	4.7微高	电感， +20%， 2.3A
卡维德	2.2μF	电容器， 陶瓷， 25V， X7R
中国国际农业发展委员会	10μF	电容器， 陶瓷， 25V， X7R
切文普	10μF	电容器， 陶瓷， 10V， X7R
库廷夫	10μF	电容器， 陶瓷， 10V， X7R
CVGON	1μF	电容器， 陶瓷， 16V， X7R
CVGOFF	1μF	电容器， 陶瓷， 16V， X7R
FFT	22nF	电容器， 陶瓷， 16V， X7R
CF2	22nF	电容器， 陶瓷， 16V， X7R
美国国际开发署	肖特基	二极管，2.25A 峰值电流

详细设计程序

选择合适的元件类型和值可确保最佳的器件运行，并实现最高效率和最低噪声运行。以下各节介绍如何进行关键设计组件选择和使用 I2C来控制关键参数，按应用电路示例如图4所示。

图4.MAX25221应用电路

开关频率选择

升压和反相转换器以及电荷泵的开关频率使用 I2C 设置，以控制 CONFIG 寄存器中的 fSW 位。当fSW为0时，开关频率为2.1MHz。当fSW为1时，开关频率为420kHz。开关频率可以应用扩频频率抖动，以利用CONFIG寄存器中的en_ss位改善EMI性能。

对于此设计，对于 2.1MHz 的开关频率，请确保 CONFIG 寄存器中的 fSW 位设置为 0。

输出电压的选择

AVDD上的输出电压由I2C 将 6 位值写入AVDD_SET寄存器中的 avdd[5：0]。对于此设计，请使用 0x1A 值将升压输出电压设置为 6.8V。

负源极驱动器电源电压 （NAVDD） 自动严格调节至升压输出电压 （AVDD）。它不能独立调整。

电荷泵VGON和VGOFF的电压输出分别通过写入VGON[5：0]和v来设置。戈夫VGON 和 VGOFF 寄存器中的 [5：0] 字段。对于此设计，请使用值 0x16 设置 V刚设置为 12V 并使用值 0x16 设置 V戈夫至 - 10V。

升压转换器电感选择

必须指定三个关键电感参数才能与器件配合使用：电感值 （L）、电感饱和电流 （I坐）和直流电阻 （R直流).

要确定电感值，首先选择电感峰峰值纹波电流与平均输出电流（LIR）的比值。大小和损耗之间的一个很好的折衷是使用 0.3 到 0.6 之间的值作为 LIR 比率。但是，电感磁芯材料的交流特性以及电感电阻与其他电源路径电阻的比值会影响LIR的选择。如果使用薄型高电阻电感器（LCD面板应用通常如此），则最佳LIR可能在0.5至1.0之间。可以根据工作区域和负载变化优化进一步的 LIR 选择。选择LIR后，电感值确定如下：

其中 V在为输入电压，V外是输出电压，I外为输出电流，I在计算出的平均升压输入电流是 ？是升压转换器的效率，D是占空比，f西 南部是开关频率。电感的饱和额定值必须超过2.25A的最大电流限值。

当LIR为0.7，效率为90%时，计算出的电感值为2.5μH。 将此值转换为最接近的标准值，对于本设计，请使用2.2μH的值。

反相稳压器电感器的选择

反相稳压器的电感值可以使用以下公式选择：

其中 V在为输入电压，V地中海为负输出电压，I地中海是输出电流，LIR是所需的电感纹波比，f西 南部是开关频率。

电感的饱和电流额定值必须超过2.25A的最大电流限值。

当LIR为0.9时，计算出的电感值为5.9μH。对于此设计，我们使用4.7μH的值。

输入电容选择

输入电容器的功能是保持IC的稳定输入电压。必须使用足够的输入电容，以避免在 AVDD 或 NAVDD 输出上遇到瞬变以及 AVDD 开关闭合时输入压降。如果IN电压降至2.57V以下，器件可能会复位。因此，输入电容必须防止这种情况发生。电容的总值取决于IN连接中的预期瞬变和串联电阻。由两个并联的10μF陶瓷电容组成的输入电容是本设计的良好起始值。在输入和地之间增加一个较低值（0.1μF）的陶瓷电容也有助于吸收高频电流。

输出电容器

选择输出滤波电容的主要标准是低有效串联电阻（ESR）。峰值电感电流与输出滤波电容ESR的乘积决定了输出电压上高频纹波的幅度。

在升压输出 HVINP 上，使用 420kHz 时至少 22μF 和 2.1MHz 时至少 10μF 的陶瓷电容器，以确保稳定性。通过增加输出电容，同时确保低ESR，可以进一步降低输出纹波。

为避免启用 AVDD 时 HVINP 大幅下降，HVINP 节点上的电容应至少是 AVDD 上的电容的 3 倍。

在本设计中，我们选择一个 10μF 电容器用于 HVINP 引脚，同时在 AVDD 上放置 2.2μF。

选择 NAVDD 输出滤波电容器的主要标准是低 ESR 和电容值，因为该电容器在内部开关导通时提供负载电流。NAVDD 输出端的电压纹波有两个分量：ESR 引起的纹波和大容量电容引起的纹波。

NAVDD输出端需要一个10μF陶瓷电容，以确保稳定性。增加此外向电容可进一步降低输出纹波。

栅极驱动器电源

对于正电荷泵，请使用 22nF “飞行”电容器 CF1 和 CF2，连接在 FC2+/FC2- 之间和 FC1+/FC1- 之间。1μF的输出电容是本设计限制输出纹波的良好起点。例如，当输出电流为2mA时，采用1μF输出电容时负载电流引起的输出纹波将限制在2.1MHz时的1mV峰峰值。

负电荷泵使用外部跨接电容器和二极管。在此应用中，需要两个值为1μF的跨接电容器。

输出纹波可以使用以下公式估算：

VCOM 缓冲区

VCOM 输出电压使用 I 进行编程2C至-2.49V至+1V之间的值。该值也可以存储在非易失性存储器中，以减少启动延迟。VCOM电压设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。要计算要写入VCOM25寄存器的值，请使用以下公式：

对于此设计，在VCOM上设置100mV的值，方法是将1写入vcom25_0位，0xBD写入VCOM25寄存器。

NAVDD 外部二极管选择

对于 NAVDD 外部二极管，峰值额定电流应至少等于 LXN 电流限值 （2.25A）。二极管击穿电压额定值应超过最大值V之和店和 V 的绝对值纳维德.肖特基二极管提高了转换器的整体效率。

我2C 接口

MAX25221包括一个I2C 2线串行接口由串行数据线（SDA）和串行时钟线（SCL）组成。SDA和SCL有助于IC和主机之间以高达400kHz的时钟速率进行通信。主设备（通常是微控制器）生成 SCL 并在总线上启动数据传输。

添加引脚	设备地址							8 位写入地址	8 位读取地址
	答6	答5	答4	答3	答2	答1	答0
接地	0	1	0	0	0	0	1	0x42	0x43
V18 版	0	1	0	1	0	1	0	0x52	0x53

主器件与MAX25221通信，发送正确的从ID，附加R/W位，后跟寄存器地址和数据字（仅用于写交易）。通过总线传输的每个字长度为8位，并且始终后跟一个确认时钟脉冲。

IC的SDA线同时用作输入和漏极开路输出。SDA总线上需要一个大于1kO的上拉电阻。通常，电阻的选择应与总线电容成函数，使总线上的上升时间不大于120ns。IC的SCL线仅作为输入工作。如果总线上有多个主站，或者单主站系统中的主站具有漏极开路SCL输出，则SCL上需要大于1kO的上拉电阻。通常，对于 SCL 线路电阻器的选择，适用与 SDA 相同的建议。符合 SDA 和 SCL 的串联电阻器是可选的。SCL 和 SDA 输入可抑制噪声尖峰，以确保器件即使在嘈杂总线上也能正常工作。

非易失性存储器

MAX25221包括5块一次性可编程存储器。用户可以将0x07到0x15的易失性寄存器块存储在非易失性存储器中。

非易失性存储器的内容受单纠错/双错检测（SECDED）冗余代码保护，而从非易失性存储器到寄存器0x07 0x15的数据传输则受奇偶校验保护。要将寄存器的内容0x07存储到非易失性存储器0x15，请连接一个 8.5V ±2% 的电压源，能够为 VPROG 引脚提供超过 25mA 的电流。当VPROG电压稳定时，写入burn_otp_reg寄存器。执行 NV 写入命令后，应检查nv_flt位。

如果未使用非易失性存储器，请将 VPROG 连接到 GND。

独立模式

MAX25221在接通电源且EN引脚为高电平时以预编程值启动。要选择独立模式，请断开 ADD 引脚的连接。在此模式下，I2C 接口不可用，如果发生故障，FLTB 引脚将输出 PWM 信号。

结论

TFT-LCD主导着汽车显示器市场，随着新技术的出现，它们正进入竞争激烈的阶段。大于 10 英寸的显示器需要 TFT 偏置，以解决因尺寸和分辨率增加而产生的额外功率需求。在该设计方案中，我们演示了如何使用MAX25221开发满足给定常见TFT-LCD要求的解决方案。它提供了一个强大的解决方案，具有最小的解决方案尺寸、出色的可配置性和预编程选项。

审核编辑：郭婷