TPS61169：高電流升壓WLED驅(qū)動(dòng)器的技術(shù)解析與應(yīng)用指南

在電子設(shè)備的設(shè)計(jì)中，LED驅(qū)動(dòng)電路是一個(gè)關(guān)鍵部分，尤其是對(duì)于需要高效、穩(wěn)定背光的設(shè)備。德州儀器（TI）的TPS61169高電流升壓WLED驅(qū)動(dòng)器，為小尺寸到大尺寸面板背光應(yīng)用提供了出色的解決方案。今天，我們就來深入了解一下這款驅(qū)動(dòng)器的特性、應(yīng)用和設(shè)計(jì)要點(diǎn)。

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1. 特性亮點(diǎn)

TPS61169具有一系列令人矚目的特性，使其在眾多LED驅(qū)動(dòng)器中脫穎而出。

• 寬輸入電壓范圍：支持2.7V至5.5V的輸入電壓，適應(yīng)多種電源環(huán)境。
• 集成高效MOSFET：內(nèi)置40V、1.8A的MOSFET，最小開關(guān)電流限制為1.2A，能夠驅(qū)動(dòng)高達(dá)38V的LED串。
• 高開關(guān)頻率：1.2MHz的開關(guān)頻率，有助于減小外部元件尺寸，提高功率密度。
• 低參考電壓：204mV的參考電壓，降低了電流檢測(cè)電阻的功耗。
• 多種保護(hù)功能：具備開路LED保護(hù)、欠壓保護(hù)、內(nèi)置軟啟動(dòng)和熱關(guān)斷功能，確保設(shè)備的穩(wěn)定性和可靠性。
• 高效節(jié)能：最高效率可達(dá)90%，有效降低功耗。

2. 應(yīng)用領(lǐng)域

TPS61169的應(yīng)用范圍廣泛，涵蓋了眾多需要LED背光的設(shè)備：

• 移動(dòng)設(shè)備：智能手機(jī)、平板電腦的背光。
• 手持設(shè)備：PDAs、手持電腦、GPS接收器、便攜式媒體播放器和便攜式電視。
• 工業(yè)與醫(yī)療設(shè)備：手持?jǐn)?shù)據(jù)終端（EPOS）、手持醫(yī)療設(shè)備、恒溫器顯示器和血糖儀。
• 其他應(yīng)用：手電筒、冰箱和烤箱等。

3. 功能概述

3.1 工作原理

TPS61169是一款升壓轉(zhuǎn)換器，采用電流模式控制和準(zhǔn)恒定頻率方案。在導(dǎo)通期間，電流流入電感器；當(dāng)電流達(dá)到內(nèi)部GM放大器設(shè)定的閾值時(shí)，功率開關(guān)MOSFET關(guān)閉。電感器極性改變，使肖特基二極管正向偏置，電流流向升壓轉(zhuǎn)換器的輸出。關(guān)斷時(shí)間對(duì)于特定的輸入和輸出電壓是固定的，從而在不同參數(shù)變化時(shí)保持相同的頻率。

3.2 關(guān)鍵特性描述

• 軟啟動(dòng)：集成軟啟動(dòng)電路，避免啟動(dòng)時(shí)的高浪涌電流尖峰。啟動(dòng)后，GM放大器輸出電壓緩慢上升，確保輸出電壓緩慢升高，減小輸入電流。啟動(dòng)期間，開關(guān)電流限制設(shè)定為0.72A，約6.5ms后恢復(fù)到正常的電流限制值。
• 開路LED保護(hù)：監(jiān)測(cè)SW引腳和FB引腳的電壓，當(dāng)SW電壓超過過壓閾值且FB電壓低于30mV，且這種情況持續(xù)3個(gè)開關(guān)周期時(shí)，關(guān)閉開關(guān)FET并關(guān)閉設(shè)備，防止輸出電壓超過設(shè)備的絕對(duì)最大額定值。
• 關(guān)斷模式：當(dāng)CTRL引腳電壓為邏輯低電平超過2.5ms時(shí)，設(shè)備進(jìn)入關(guān)斷模式，輸入電源電流小于2μA（最大值）。
• 電流編程：通過與LED串串聯(lián)的電流檢測(cè)電阻RSET外部編程LED電流，F(xiàn)B電壓由204mV的低參考電壓調(diào)節(jié)。
• LED亮度調(diào)光：通過CTRL引腳接收PWM調(diào)光信號(hào)控制總輸出電流。PWM信號(hào)的占空比決定FB引腳的調(diào)節(jié)電壓，從而實(shí)現(xiàn)LED亮度調(diào)光。這種方法避免了傳統(tǒng)PWM調(diào)光可能產(chǎn)生的可聽噪聲。
• 欠壓鎖定：防止設(shè)備在輸入電壓低于典型2V時(shí)工作。當(dāng)輸入電壓低于欠壓閾值時(shí)，設(shè)備關(guān)閉；當(dāng)輸入電壓上升超過欠壓鎖定遲滯值時(shí)，設(shè)備重啟。
• 熱折返和熱關(guān)斷：當(dāng)設(shè)備驅(qū)動(dòng)大尺寸面板應(yīng)用的重負(fù)載時(shí)，功率耗散增加，結(jié)溫可能升高。熱折返功能在結(jié)溫高于100°C時(shí)自動(dòng)降低開關(guān)電流限制，控制功率耗散。當(dāng)結(jié)溫超過160°C時(shí)，內(nèi)部熱關(guān)斷功能關(guān)閉設(shè)備；當(dāng)結(jié)溫下降15°C時(shí)，設(shè)備自動(dòng)恢復(fù)。

4. 引腳配置與功能

5. 規(guī)格參數(shù)

5.1 絕對(duì)最大額定值

5.2 ESD額定值

• 人體模型（HBM）：+2000V
• 帶電器件模型（CDM）：±500V

5.3 推薦工作條件

5.4 熱信息

5.5 電氣特性

6. 應(yīng)用與設(shè)計(jì)

6.1 設(shè)計(jì)要求

6.2 詳細(xì)設(shè)計(jì)步驟

6.2.1 電感器選擇

電感器的選擇對(duì)功率效率、穩(wěn)態(tài)運(yùn)行、瞬態(tài)行為和環(huán)路穩(wěn)定性有重要影響。選擇時(shí)需考慮電感值、直流電阻和飽和電流。推薦電感值范圍為4.7μH至10μH，對(duì)于輸入電壓高于5V的情況，推薦使用4.7μH的電感器。計(jì)算電感峰值電流的公式如下： [I{L(DC)}=frac{V{OUT} times I{OUT}}{V{IN} times eta}] [ Delta I{L(P-P)}=frac{1}{L times (frac{1}{V{OUT}-V{IN}}+frac{1}{V{IN}}) times F{S}}] [I{L(P)}=I{L(DC)}+frac{Delta I{L(P-P)}}{2}] 其中，(I{L(DC)})為電感直流電流，(V{OUT})為升壓輸出電壓，(I{OUT})為升壓輸出電流，(V{IN})為升壓輸入電壓，(eta)為功率轉(zhuǎn)換效率，(Delta I{L(P-P)})為電感峰 - 峰紋波電流，(L)為電感值，(F{S})為升壓開關(guān)頻率。

6.2.2 肖特基二極管選擇

TPS61169需要一個(gè)低正向電壓、高速和低電容的肖特基二極管以實(shí)現(xiàn)最佳效率。二極管的平均和峰值電流額定值必須超過平均輸出電流和電感峰值電流，反向擊穿電壓必須超過開路LED保護(hù)電壓。推薦使用ONSemi NSR0240。

6.2.3 輸出電容選擇

輸出電容主要用于滿足輸出紋波和環(huán)路穩(wěn)定性的要求。紋波電壓與電容值及其等效串聯(lián)電阻（ESR）有關(guān)。假設(shè)電容ESR為零，給定紋波所需的最小電容可通過以下公式計(jì)算： [C{OUT}=frac{(V{OUT}-V{IN}) times I{OUT}}{V{OUT} times F{S} times V{ripple}}] 其中，(V{ripple})為峰 - 峰輸出紋波。由于陶瓷電容的ESR較低，對(duì)于典型應(yīng)用，推薦使用1μF至4.7μF的電容。

6.2.4 LED電流設(shè)定電阻

LED電流設(shè)定電阻可通過公式(I{LED}=frac{V{FB}}{R{SET}})計(jì)算，其中(I{LED})為L(zhǎng)ED串的總輸出電流，(V{FB})為FB引腳的調(diào)節(jié)電壓，(R{SET})為電流檢測(cè)電阻。

6.2.5 熱考慮

在正常工作條件下，必須考慮允許的IC結(jié)溫，這限制了TPS61169的功率耗散。允許的功率耗散可通過公式(P{D}=frac{T{J}-T{A}}{R{theta JA}})計(jì)算，其中(T{J})為推薦工作條件下允許的結(jié)溫，(T{A})為應(yīng)用的環(huán)境溫度，(R_{theta JA})為結(jié)到環(huán)境的熱阻。此外，TPS61169還具有熱折返功能，可自動(dòng)降低熱應(yīng)力。

6.3 布局建議

布局對(duì)于開關(guān)電源的性能至關(guān)重要，特別是對(duì)于高頻和大電流的應(yīng)用。以下是一些布局指南：

• 使用寬而短的走線用于高電流路徑。
• 輸入電容(C_{IN})應(yīng)靠近VIN引腳和GND引腳，以減少設(shè)備看到的輸入紋波。
• SW引腳承載高電流且上升和下降沿快速，因此SW引腳到電感器的連接應(yīng)盡可能短而寬。
• 輸出電容(C{OUT})應(yīng)靠近VOUT引腳，并且(C{OUT})的接地應(yīng)靠近GND引腳。
• FB電阻應(yīng)靠近FB引腳。
• 建議使用短走線將信號(hào)地與功率地分開，并在靠近GND引腳的單點(diǎn)連接。

7. 總結(jié)

TPS61169是一款功能強(qiáng)大、性能出色的高電流升壓WLED驅(qū)動(dòng)器，適用于多種LED背光應(yīng)用。通過合理選擇外部元件和優(yōu)化布局設(shè)計(jì)，可以充分發(fā)揮其優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)高效、穩(wěn)定的LED驅(qū)動(dòng)。在實(shí)際設(shè)計(jì)中，工程師需要根據(jù)具體應(yīng)用需求，仔細(xì)考慮各項(xiàng)參數(shù)和特性，確保設(shè)計(jì)的可靠性和性能。 你在使用TPS61169的過程中遇到過哪些問題呢？歡迎在評(píng)論區(qū)分享你的經(jīng)驗(yàn)和見解。