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DC-DC升压电路应用——LED背光升压原理

更新时间：2016-03-01 浏览量：10505

新型LCD显示器背光都采用白光LED,具有亮度大，效率高、环保节能、发热小、寿命长的特点。关于LED背光升压方面的原理、案例比较少，本篇想结合理论与自己维修经验写一篇关于LED背光的入门贴。

1.白光LED的典型参数及连接笔记本LED的背光组件由3-6串、每串9-10个串连白光LED组成。单个LED典型正向压降在3.2V左右，正向电流20ma左右。如果一串由10个LED串联，则典型点亮电压需10x3.2=32V.。在LED屏内LED灯的连接方法如下图

图中共有8串LED灯串，每串的正极接在一起连到高压上，负极则分别连到控制芯片，由芯片控制负极对地的导通与断开实现LED灯串的亮灭。实际在笔记本这样的小屏里大部分只用到其中三串，部分会用到6串，如下图这个屏上的LED接口就是用的6串。判断到底用几串，只需查看LED排线接口，一般粗线是公共的高压线(如前述的32V)，在排线接口看是三根针连在一起，其它细线则是各串的负极连线。由于要用高压来点灯，而主板一般提供最高电压是19V，所以需要升压电路来完成升压。

2.DC-DC升压基本模型

在主板维修中最常见的是DC-DC降压电路，这里需要用到DC-DC升压电路，升压电路采用的是DC-DC脉宽调制电路，与DC-DC降压电路一样，它体积小，成本低，效率高。大部份升压电路做在屏上，主板提供VIN，EN，PWM（或SMBUS，如DELL某机型），也有升压电路直接做在主板上，如苹果机型。升压基本模型如下图所示。（参考网络图片）控制开关管的开关频率，在二极管负极得到所需的高压。

工作原理如下图所示。

原理简析：1.开关管打开，电感左端对地，二极管反向截至，电感中流过的电流增大，电感产生感生电势以减小其中流过的电流，所以左正右负，此过程电能转化磁能。2.开关管截止，电感电流减小，产生感生电势阻止减小，电压左负右正，与原电压叠加升压，此过程磁能转化为电能，二极管正向导通。

详细原理请参考相关专题文档。

3. MAX17105升压芯片工作原理

MAX1710是采用上述DC-

DC升压原理，能同时驱动8路LED串、具有过热、过压、限流保护、输入电压宽、多种PWM亮度调节方式的升压芯片。小型24-Pin, 4mm x 4mm, Thin QFN封装，占用PCB面积小。

3.1 MAX17105引脚顶视图：

3.2 MAX17105引脚定义

1 COMP

Step-Up Regulator Compensation Pin. Connect a 0.033uF ceramic capacitor and 1k ohm resistorfrom COMP to SGND and an additional 220pF capacitor from COMP to SGND. When theMAX17105 shuts down, COMP is discharged to 0V through an internal 20k resistor.

升压调节器补偿输入，串接一个1K电阻和0.033uf陶瓷电容到SGND，并且外加一个220PF电容到SGND。当MAX17105关闭时，COMP脚通个内置的20K电阻放电到0V。

2 ISET

Full-Scale LED Current Adjustment Pin. The resistance from ISET to SGND controls the full-scale current in each LED string:

ILED_MAX=20mA*50K/RISET

The acceptable resistance range is 33.3k < RISET < open, which corresponds to full-scale LEDcurrent of 30mA > ILED_MAX > 0mA. Connecting ISET to SGND sets the test mode for 0.3mA

(typ)

full-scale LED current.

最大LED电流调节脚，ISET到地的阻抗控制每一串中流过的最大电流，有ILED_MAX=20mA*50K/RISET.可接受的阻抗范围为：33.3K<RISET<open(开路),对应的各串最大电流为30m

A > ILED_MAX >0mA。

3 PWMO

Filtered PWM Signal Output. Connect a capacitor between PWMO and SGND. The capacitorforms a lowpass filter with an internal 40k (typ) resistor to filter the PWM signal into an analogsignal whose level represents the duty cycle information of the input PWM signal.

滤波后的PWM信号输出,PWMO与地之间连接一个电容，与内部40K(典型值)电阻组成低通滤波器，从而使输入PWM周期变成一个对应的模拟信号。

4 OSC

Oscillator Frequency Adjustment Pin. The resistance from OSC to SGND sets the step-up

regulator’s oscillator frequency:

fSW = 1MHz * 100kI/ROSC

The acceptable resistance range is 50k < ROSC < 200k, which corresponds to the switchingfrequency of 2MHz > fSW > 500kHz.

震荡频率调节脚,OSC与SGND之间的阻抗设置升压调节器的震荡频率。有FSW=1MHz*100k/ROSC。可接受阻抗在50k < ROSC < 200k，对应的开关频率为2MHz > fSW >

500kHz。

55 OVP

Overvoltage Sense. Connect OVP to the center tap of a resistive voltage-divider from the output ofthe step-up regulator to ground

过压反馈，OVP与(输出电压与地之间的电阻分压器相连)

6 VCC

5V Linear-Regulator Output. VCC provides power to the MAX17105. Bypass VCC to SGNDwith a ceramic capacitor of 1uF or greater.

5v线性电压调压器输出。给芯片内部提供电压，必须旁路一个1uF或更大的陶瓷电容。

7 IN

Power-Supply Input. VIN biases the internal 5V linear regulator that powers the device. BypassINto SGND directly at the pin with a 0.1uF ceramic capacitor or greater

电源供应脚,给线性5V提供偏置,必需直接旁路一个0.1uF或更大电容到地。

8 FAULT

External p-Channel MOSFET Gate Drive-Output. External pullup resistor is connected between

FAULT and IN when p-channel MOSFET is used. If the p-channel MOSFET is not used, leave

FAULT unconnected

外部P管G极控制脚,当使用外部P管时，需要在AULT与IN之间设置上拉电阻，当不使用外

部P管时，置空。

9 SGND Analog Ground

模拟地

10-17 FB[1:8]

LED String Cathode Connection. FBx is the open-drain output of an internal regulator, which controls current through FBx. FBx can sink up to 30mA. If unused, connect FBx to SGND.

连接LED串阴极，FBx是内部调整器的开漏输出，控制FBx的电流，未用时接地。

18 PGND

Step-Up Regulator Power Ground

电源地

19 LX

Step-Up Regulator Switching Node. Drain of the internal n-channel MOSFET between LX and PGND. Connect the inductor and catch diode here and minimize trace area for lowest EMI.

升压调节器开关节点，内部的N管D极，连接升压电感和二极管的阳极，为防止EMI，电路板上应设计成小线路。

20 PWMI

PWM Signal Input. This PWM signal is used for brightness control in direct-PWM mode or DPST ode of SMBus mode. Indirect-PWM mode, the DPWM duty cycle is equal to the input PWMduty cycle. In DPST mode, the DPWM duty cycle is the input PWM duty cycle multiplied by the SMBus brightness command. PWMI directly controls the LED current source on or off in direct-

PWM mode.

PWM信号输入,在direct-PWM和SMBUS的DPST模式中用于调节LED亮度，direct-PWM模式中DPWM周期等于输入PWM周期.DPST模式中，DPWM周期是输入PWM周期与SMBUS亮度调节信号的乘积，在direct-PWM模式中直接控制LED电流源的开关。

21 EN

Direct-PWM Mode Enable Pin. When direct-PWM mode is selected through the DFSET pin, the MAX17105 can start up with direct-PWM mode by EN = high.

Direct-PWM模式中的开启信号，当通过DFSET引脚设置为Direct-PWM时，通过设置EN=高使MAX17105通过Direct-PWM模式工作。

22 SCL SMBus Serial Clock Input SMBUS串行时钟输入

23 SDA SMBus Serial Data Input SMBUS串行数据输入

24 DFSET

DPWM Frequency Adjustment Pin. Connect a resistor from DFSET to SGND to set the internal

DPWM frequency in SMBus mode. In direct-PWM mode, DFSET pin is connected to SGND:

fDPWM = 200Hz * 250k/RDFSET

The acceptable resistance range is 10k< RDFSET < 500k, which corresponds to the DPWM

frequency of 5kHz > fDPWM > 100Hz.

DPWM频率调节引脚，在SMBUS模式中通过设置DFSET与SGND之间的电阻来设置内部D

PWM频率，在direct-PWM模式中DFSET接地。有fDPWM=200Hz*250k/RDFSET。可接受阻抗范围为10k< RDFSET < 500k，对应DPWM频率为5kHz >

fDPWM > 100Hz。

3.3 MAX17105的内部框图：

引脚定义看框图能对引脚定义有个更深的了解。如VIN给5V线性供电，DFST设置是使用直接PWM模式还是DPST模式，PWMI与PWMO关系,EN如何作用于两种模式，OSC给内置开关管设置开关频率，FB引脚的结构级反馈，FAULT又是如何控制外部P管，OVP电压的可接受范围。LX内部引脚结构及控制、反馈….

3.4 MAX17105的两种操作模式

MAX17105的两种操作分别是Direct-PWM模式和SMBUS模式。通过DFSET引脚设置，当直接接地时使用Direct-PWM模式，当用一定阻值的电阻接地时工作在SMBUS模式。关于电阻的范围在芯片引脚定义里有详细说明。下图即为芯片的两种工作模式，Sstandby为待机，startup为正常工作状态，‘X’表示不用理会电平状态。

结合这两种操作模式区别在于对芯片的控制方式及调光方式上。Direct-PWM模式是应用比较多、我们熟悉的模式。它通过EN脚的高电平控制芯片开始工作，PWMI脚直接控制背光亮度，称为直接模式。

SUMBUS模式比较少见，我只在DELL的一款机型上留意到过，它的开启、亮度调节全是通过SMBUS总线控制。关于这节后面再述。

3.5 MAX17105的工作原理

鉴于Direct-PWM是最常用的操作方式，下面分析芯片在此种方式下的工作原理。参考应用电路为AUO B140XW02中截取下来的。

参考原理图

在这个应用电路中DFSET接地，芯片选取Direct-PWM模式工作，通过EN=HIGHT开启，PWMI输入的调光信号。由于是用Direct-PWM模式，SMBUS的SCL、SDA用芯片本身产生的线性5V提供上拉，不与外部电路连接。COMP引脚如定义中所述电阻电容串联再与电容并连接地。ISET通过一个49.9K电阻接地，则根据ILED_MAX=20mA*50K/RISET，LED串中最大电流为ILED_MAX=20mA*50K/49. 9K=20mA。3脚通过电容接地，此脚波形反映输入的PWMI信号。4脚接100K电阻到地,则由fSW=1MHz*100kI/ROSC得内部场管开关频率fSW=1MHz*100k/100k=1MHz(之所以可以设置开关频率是由于对不同的应用，要求的PCB尺寸不同，电流不同,效率不同)。5脚的OVP接高压分压。Vout(ovp)=1.25v*(1+R1/R2),在这里Vout(ovp)=1.25v*(1+R1/R2)=1.25v*(1+220/10)=28.75v，图纸中的标注是错误的，尽信书不如无书。6脚的VCC旁路了一个电容，这是芯片自身输出的线性5V电压。7脚的IN通过一个限流电阻接输入电压上给芯片工作提供电压。8脚的FAULT是用于外接P管的，跟19脚的LX的内置N管的作用相同，这里没有使用留空。10-17脚是FB脚，用于连接屏中的LED串负极，控制LED串中的电流，共可控制8串，这里只用了6串，两串直接接地屏蔽。19脚是内置N管的D极，通过控制内置N管的通断控制外部电感中的电流，达到升压。20脚是外部输入的调光信号。21、22脚未用，直接5V上拉。如果对升压原理不是清楚，建议再看看开头部分的升压原型。为更好的理解工作过程

，下面再截几张手册里提供的波形图。

LX脚的波形

波形图

LED中的电流，FB脚电压波形

值得注意的是LED的亮度调节并不是通过调节输出电压高低来实现，而是通过调节LED亮暗占空比来实现的，就是说，LED是交替亮暗的，这个交替频率高，人眼无法分辨出来，通过调节在一个周期中亮的时间和暗的时间来达到调节整体亮度。整体工作过程：

4．一些维修案例

虽然升压电路用到的芯片各有不同，但基本原理都差不多，只要掌握了以上电路工作原理则LED背光故障修起来应该是得心应手了。对于暗屏故障，对于大部分升压电路做在屏上的笔记本来说，再快的莫过于换块屏试试，如果换屏后背光正常基本可确定故障在屏上的升压电路上。下面是我在维修中碰到的一些容易出故障的。暗屏故障中最常的是19V供电保险坏了，但是记住保险基本上不会无缘无故，查查保险后级有无短路，但是，有时你查不出它后级有明显短路，打二极体值正常在400多的只有100多，通常情况就是二极管后级短路了，常常是去掉一个电容就好。这个可以参考上面所提供的图纸。另一种故障就是会闪屏，是背光在闪，图像是正常的，通常情况是7脚供电的限流电阻变大了。有时候LED的排线也会折断引起暗屏，这种情况找块碎屏把整个背光模组一起换就好了。如果你查了EN、PWM所连的电阻正常，供电正常，没有短路什么的，就大胆换芯片吧，整个电路就那么点，没多大事。

5.MAX17105的SMBUS模式

这种模式用得少，了解就行了。与主板上电池检测、内存检测、温度检测的SMBUS一样，只需查电路的物理连接是否正常。无需理会总线的读写控制命令之类，至多是总线控制器EC不正常，或者EC内部程序不正常。这种总线在大部分时间是空闲的，所以，用万用表量都是稳定的3.3或者5V。

在SMBUS模式下，背光的开启、亮度的调节全部是通过SMBUS的数据线传输命令控制的。与SMBUS模式相关的几个引脚有DFSET、SCL、SDA。DFSET引脚必须外接电阻到地用以设置内部DPWM频率。关于电阻范围及对应的频率计算方法在引脚定义部分有。在内部寄存器中有几个位与DPWM有关。框图如下:

DA、SCL是SMBUS与外部控制器的接口

SDA、SCL是SMBUS与外部控制器的接口。PWM_MD与PWM_SEL共同控制着DPWM用以调节LED亮度。所以，MAX17105共有三种调光模式，分别是PWM、SMBUS、DPST。PWM_SEL选择是使用PWM还是SMBUS或DPST。PWM_MD选择使用SMBUS还是DPST。MAX17105内部有四个寄存器，分别是亮度调节寄存器(0x00)、状态寄存器(0x02)、芯片ID

(0x03)寄存器、操作模式寄存器(0x01)。

亮度调节寄存器(0x00)

8位全可读可写