深入剖析TPS61187：筆記本W(wǎng)LED驅(qū)動(dòng)的高效解決方案

在電子設(shè)備的世界里，顯示屏的背光質(zhì)量直接影響著用戶的視覺(jué)體驗(yàn)。對(duì)于筆記本電腦而言，一款優(yōu)秀的白色發(fā)光二極管（WLED）驅(qū)動(dòng)芯片至關(guān)重要。今天，我們就來(lái)深入探究德州儀器（TI）推出的TPS61187 WLED驅(qū)動(dòng)芯片，看看它是如何為筆記本LCD背光源提供高效、可靠的解決方案的。

文件下載：tps61187.pdf

一、產(chǎn)品概述

TPS61187是一款專門(mén)為筆記本LCD背光源設(shè)計(jì)的高度集成的WLED驅(qū)動(dòng)芯片。與傳統(tǒng)的冷陰極熒光燈（CCFL）背光源相比，WLED具有更高的功率效率和更低的外形設(shè)計(jì)優(yōu)勢(shì)。該芯片集成了關(guān)鍵功能模塊，能夠?yàn)槎噙_(dá)60個(gè)WLED提供電源和控制，包括一個(gè)40V、2A的升壓調(diào)節(jié)器、六個(gè)30mA的電流沉調(diào)節(jié)器，以及針對(duì)過(guò)流、過(guò)壓、LED開(kāi)路、LED短路和輸出短路故障的保護(hù)電路。

二、產(chǎn)品特性亮點(diǎn)

1. 寬輸入輸出電壓范圍

• 輸入電壓：4.5V至24V，能夠適應(yīng)多種電源環(huán)境。
• 最大輸出電壓：38V，可滿足大多數(shù)WLED的驅(qū)動(dòng)需求。

2. 集成高效MOSFET與可編程開(kāi)關(guān)頻率

• 集成2A、40V的MOSFET，升壓轉(zhuǎn)換器可提供高達(dá)38V的輸出電壓。
• 開(kāi)關(guān)頻率可在300kHz至1MHz之間可編程，計(jì)算公式為 (F{SW}=frac{5 × 10^{11}}{R{FSLCT}})，用戶可根據(jù)實(shí)際需求靈活選擇，以平衡效率和電感尺寸。

3. 自適應(yīng)升壓輸出與寬PWM調(diào)光頻率范圍

• 升壓輸出可自動(dòng)調(diào)整至WLED的正向電壓，優(yōu)化效率。
• 直接PWM模式下，PWM調(diào)光頻率范圍為100Hz至50kHz；頻率可編程模式下，范圍為100Hz至22kHz。
• 在20kHz時(shí)調(diào)光比為100:1，200Hz時(shí)（直接PWM模式）調(diào)光比可達(dá)10000:1，能夠?qū)崿F(xiàn)細(xì)膩的亮度調(diào)節(jié)。

4. 小尺寸外部組件與集成環(huán)路補(bǔ)償

• 僅需少量外部組件，簡(jiǎn)化了電路設(shè)計(jì)。
• 集成環(huán)路補(bǔ)償，確保在全輸入和輸出電壓范圍內(nèi)輸出穩(wěn)定。

5. 高精度電流調(diào)節(jié)與匹配

• 六個(gè)電流沉調(diào)節(jié)器，最大輸出電流為30mA，在20mA電流下精度可達(dá)±2%，串間差異典型值為±1.5%。

6. 多種調(diào)光模式與保護(hù)功能

• 支持自動(dòng)相移PWM調(diào)光和直接PWM調(diào)光兩種模式，可通過(guò)RFPWM/MODE引腳進(jìn)行選擇。
• 具備HBM ESD保護(hù)（4kV）、可編程過(guò)壓閾值、內(nèi)置WLED開(kāi)路/短路保護(hù)和熱關(guān)斷功能，保障芯片的可靠性和穩(wěn)定性。

三、引腳配置與功能

TPS61187采用20引腳的QFN封裝，各引腳功能明確，以下是部分關(guān)鍵引腳的介紹：

• VDDIO：內(nèi)部預(yù)調(diào)節(jié)器輸出，需連接1μF陶瓷電容，為芯片的模擬和邏輯電路供電。
• EN：使能引腳，控制芯片的開(kāi)啟和關(guān)閉。
• FSLCT：開(kāi)關(guān)頻率選擇引腳，通過(guò)連接電阻可設(shè)置300kHz至1MHz的開(kāi)關(guān)頻率。
• ISET：全量程LED電流設(shè)置引腳，通過(guò)連接電阻可編程電流水平。
• PWM：PWM信號(hào)輸入引腳，用于控制LED的亮度。

四、工作模式與調(diào)光控制

1. 亮度調(diào)光控制

• 自動(dòng)相移PWM調(diào)光：內(nèi)部解碼器從輸入PWM信號(hào)中提取占空比信息，存儲(chǔ)在8位寄存器中，并傳遞給輸出PWM調(diào)光控制電路，使六個(gè)輸出電流沉以RFPWM設(shè)置的PWM頻率和從解碼器塊獲取的占空比進(jìn)行開(kāi)關(guān)操作。
• 直接PWM調(diào)光：每個(gè)電流沉與輸入PWM信號(hào)以相同的頻率和占空比進(jìn)行開(kāi)關(guān)操作。

2. 可調(diào)PWM調(diào)光頻率與模式選擇

• 通過(guò)RFPWM/MODE引腳可選擇自動(dòng)相移模式或直接PWM模式。連接電阻到RFPWM/MODE引腳可進(jìn)入自動(dòng)相移模式，電阻值決定PWM調(diào)光頻率，計(jì)算公式為 (F{DIM }=frac{1.818 × 10^{8}}{R{FPWM }})；將RFPWM/MODE引腳連接到VDDIO則強(qiáng)制進(jìn)入直接PWM模式。

五、保護(hù)功能

1. 過(guò)壓鉗位與電壓反饋

通過(guò)OVC/FB引腳實(shí)現(xiàn)過(guò)壓鉗位和電壓反饋功能。當(dāng)檢測(cè)到OVC引腳電壓超過(guò)1.95V（典型值）時(shí)，OVC電路將輸出電壓鉗位到設(shè)定的閾值。

2. 電流沉開(kāi)路保護(hù)

當(dāng)檢測(cè)到某個(gè)WLED串開(kāi)路時(shí)，芯片會(huì)自動(dòng)檢測(cè)并禁用該串，將其從電壓反饋環(huán)路中移除，輸出電壓下降并調(diào)節(jié)至連接的WLED串所需的最小電壓，其余WLED串的電流調(diào)節(jié)不受影響。

3. 過(guò)流和短路保護(hù)

芯片具有逐脈沖過(guò)流限制（最小2A），當(dāng)電感電流達(dá)到閾值時(shí)，PWM開(kāi)關(guān)關(guān)閉，直到下一個(gè)開(kāi)關(guān)周期開(kāi)始。在持續(xù)過(guò)流或短路情況下，芯片會(huì)關(guān)閉，需要電源復(fù)位或EN引腳切換才能重啟。

4. 熱保護(hù)

當(dāng)芯片的結(jié)溫超過(guò)150°C時(shí)，熱保護(hù)電路觸發(fā)，立即關(guān)閉芯片，同樣需要電源復(fù)位或EN引腳切換才能清除保護(hù)并重啟。

六、應(yīng)用與設(shè)計(jì)要點(diǎn)

1. 典型應(yīng)用

TPS61187適用于平板電腦、筆記本電腦、顯示器等多種設(shè)備的LED照明解決方案，可驅(qū)動(dòng)6串10個(gè)串聯(lián)的LED，提供緊湊高效的設(shè)計(jì)。

2. 設(shè)計(jì)要求與參數(shù)

• 輸入電壓：4V至24V
• 輸出電壓：最大38V
• LED串電流：最大30mA
• 開(kāi)關(guān)頻率：280kHz至1MHz

3. 關(guān)鍵組件選擇

• 電感選擇：電感值范圍為10μH至47μH，需考慮電感值、直流電阻（DCR）和飽和電流等參數(shù)。電感值的選擇會(huì)影響電源的穩(wěn)態(tài)運(yùn)行、瞬態(tài)響應(yīng)和環(huán)路穩(wěn)定性。
• 輸出電容選擇：主要根據(jù)輸出紋波和環(huán)路穩(wěn)定性要求選擇，可通過(guò)公式 (Cout =frac{( Vout - Vin ) × lout }{ Vout × F_{S} × Vripple }) 計(jì)算最小電容值。
• 隔離FET選擇：芯片提供外部P溝道MOSFET的柵極驅(qū)動(dòng)，可在設(shè)備關(guān)閉或故障時(shí)關(guān)閉MOSFET，保護(hù)電池免受輸出短路影響。建議選擇耐壓30V、導(dǎo)通電阻小于100mΩ的MOSFET。

4. 布局注意事項(xiàng)

• 對(duì)于開(kāi)關(guān)電源而言，布局至關(guān)重要。應(yīng)使用寬而短的走線用于高電流路徑，輸入電容要靠近VIN和GND引腳，以減少輸入紋波。
• C2作為內(nèi)部線性調(diào)節(jié)器的濾波和去耦電容，應(yīng)盡可能靠近VDDIO和AGND引腳。
• SW引腳承載高電流且邊沿變化快，與電感和肖特基二極管的連接應(yīng)盡可能短而寬。
• 信號(hào)地和功率地應(yīng)分開(kāi)布線，并在單點(diǎn)連接，例如在散熱焊盤(pán)處。散熱焊盤(pán)應(yīng)焊接到PCB上并連接到芯片的GND引腳，可通過(guò)額外的散熱過(guò)孔提高芯片的散熱性能。

七、總結(jié)

TPS61187以其豐富的功能、高效的性能和可靠的保護(hù)機(jī)制，為筆記本LCD背光源提供了一個(gè)優(yōu)秀的解決方案。電子工程師在設(shè)計(jì)過(guò)程中，可根據(jù)具體需求合理選擇芯片的工作模式和外部組件，同時(shí)注意布局要點(diǎn)，以確保系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。你在使用類似芯片時(shí)遇到過(guò)哪些問(wèn)題？又是如何解決的呢？歡迎在評(píng)論區(qū)分享你的經(jīng)驗(yàn)。