TPS6115x 雙輸出升壓 WLED 驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)全解析

在電子設(shè)備的顯示背光設(shè)計(jì)中，高效、穩(wěn)定且靈活的 WLED 驅(qū)動(dòng)器至關(guān)重要。TPS6115x 作為一款高性能的雙輸出升壓 WLED 驅(qū)動(dòng)器，為我們提供了出色的解決方案。今天，我們就來(lái)深入探討一下 TPS6115x 的特性、應(yīng)用以及詳細(xì)的設(shè)計(jì)要點(diǎn)。

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一、TPS6115x 特性亮點(diǎn)

1. 寬輸入輸出范圍

TPS6115x 支持 2.5 - 6V 的輸入電壓范圍，每個(gè)輸出最高可達(dá) 27V，這使得它能適應(yīng)多種電源環(huán)境，為不同的 WLED 驅(qū)動(dòng)需求提供了可能。

2. 強(qiáng)大的內(nèi)部集成

集成了 0.7A 的開關(guān)和內(nèi)置功率二極管，減少了外部元件的使用，簡(jiǎn)化了電路設(shè)計(jì)。同時(shí)，1.2MHz 的固定 PWM 頻率，有效降低了輸出紋波，避免了與脈沖頻率調(diào)制（PFM）控制相關(guān)的可聽噪聲。

3. 靈活的輸出控制

輸出電流可單獨(dú)編程，通過(guò)外部電阻就能輕松實(shí)現(xiàn)。還具備輸入 - 輸出隔離、內(nèi)置軟啟動(dòng)、過(guò)壓保護(hù)等功能，不僅提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性，還能保護(hù) WLED 免受損壞。

4. 高效與調(diào)光能力

最高可達(dá) 83% 的效率，能有效降低功耗。并且支持最高 30kHz 的 PWM 調(diào)光頻率，可實(shí)現(xiàn)對(duì) WLED 亮度的精確控制。

二、廣泛的應(yīng)用場(chǎng)景

1. 翻蓋手機(jī)顯示

適用于翻蓋手機(jī)的副顯示屏和主顯示屏背光，以及顯示屏和鍵盤背光，為手機(jī)提供清晰、均勻的顯示效果。

2. 多 WLED 驅(qū)動(dòng)

最多可驅(qū)動(dòng) 14 個(gè) WLED，能滿足大型顯示屏的背光需求。

三、詳細(xì)的設(shè)計(jì)要點(diǎn)

1. 輸出電流計(jì)算

在設(shè)計(jì)中，我們需要根據(jù)具體需求計(jì)算最大輸出電流。計(jì)算公式如下： [P=frac{1}{left[L timesleft(frac{1}{V{IOUT }+V{F}-V{IN}}+frac{1}{V{IN}}right) × F_{S}right]}] [OUTMAX =frac{V{IN } timesleft(I{LIM }-frac{I{P}}{2}right) × eta}{V{IOUT }}] 其中，(I{P}) 為電感峰 - 峰紋波，(L) 為電感值，(V{F}) 為功率二極管正向電壓，(F{S}) 為開關(guān)頻率，(V{IOUT }) 為升壓輸出電壓，(I{LIM}) 為過(guò)流限制，(eta) 為效率。需要注意的是，TPS6115x 的過(guò)流限制會(huì)受到輸入輸出電壓的影響，可參考典型過(guò)流限制圖表，并考慮 ±25% 的公差。同時(shí)，電流吸收電路的電流能力也會(huì)限制最大輸出電流，其設(shè)計(jì)最大電流為 35mA。

2. WLED 亮度調(diào)光

有三種調(diào)光方式可供選擇：

• 并聯(lián)電阻法：通過(guò)在 ISET 引腳電阻上并聯(lián)額外電阻來(lái)改變輸出電流，這種方法簡(jiǎn)單但調(diào)光步驟有限。
• PWM 調(diào)光法：在 SEL 引腳施加 PWM 調(diào)光信號(hào)，通過(guò)信號(hào)的占空比來(lái)調(diào)制輸出電流。為避免 WLED 閃爍，PWM 信號(hào)頻率要足夠高。同時(shí)，為提高調(diào)光線性度，在 PWM 調(diào)光期間會(huì)禁用電流吸收電路的軟啟動(dòng)。TPS6115x 還通過(guò)在 SEL 引腳為低電平時(shí)斷開 WLED 與輸出電容的連接，減少了 PWM 調(diào)光期間的電壓紋波。最大 PWM 調(diào)光頻率計(jì)算公式為： [F_{PWMMAX }=frac{D{MIN }}{T{ISINK }}] 其中，(D{MIN}) 為應(yīng)用所需的最小 PWM 調(diào)光占空比。對(duì)于 20% 的 (D_{MIN})，PWM 調(diào)光頻率最高可達(dá) 33kHz，可將噪聲頻率置于可聽范圍之外。
• 外部電壓控制法：使用外部 DC 電壓和電阻改變 ISET 引腳電流，從而控制輸出電流。計(jì)算公式如下： [WLED =K{ISET } timesleft(frac{1.229}{R{ISET }}+frac{1.229-V{DC}}{R{1}}right) text{（DC 電壓輸入）}] [WLED =K{ISET } timesleft(frac{1.229}{R{ISET }}+frac{1.229-V{DC}}{R{1}+10 K}right) text{（PWM 信號(hào)輸入）}] 其中，(K{ISET}) 為 ISET 引腳電流與 IFB 引腳電流之間的電流乘數(shù)，(V{DC}) 為 DC 電壓源電壓或 PWM 信號(hào)的 DC 電壓。

3. 電感選擇

電感是電源調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì)的關(guān)鍵組件，其性能受電感值、直流電阻（DCR）和飽和電流的影響。一般建議將電感峰 - 峰紋波電流設(shè)置為直流電流的 30% - 40%，因此推薦 TPS6115x 使用 10μH 的電感。電感直流電流計(jì)算公式為： [LDC =frac{V{IOUT } × I{OUT }}{V{IN } × eta}] 計(jì)算時(shí)使用最大負(fù)載電流和最小 (V_{in})。電感值的公差會(huì)影響電路性能，當(dāng)電感電流接近飽和水平時(shí)，電感值會(huì)下降。同時(shí)，電感的 DCR 會(huì)影響調(diào)節(jié)器效率，較低的 DCR 可提高效率，但要考慮 DCR 與電感尺寸的權(quán)衡。單輸出應(yīng)用推薦 DCR 在 250mΩ - 450mΩ 范圍內(nèi)的電感，雙輸出應(yīng)用推薦 DCR 在 150mΩ - 350mΩ 范圍內(nèi)的電感。

4. 輸入輸出電容選擇

輸出電容主要用于減少轉(zhuǎn)換器的輸出紋波。假設(shè)電容 ESR 為零，給定紋波所需的最小電容可通過(guò)以下公式計(jì)算： [C{OUT }=frac{left(V{IOUT }-V{IN }right) I{OUT }}{V{IOUT } × F{S} × V{RIPPLE }}] 其中，(V{RIPPLE }) 為峰 - 峰輸出紋波。對(duì)于 (V{IN}=3.6V)，(V{IOUT }=20V)，(F{S}=1.2MHz)，0.1% 紋波（20mV）需要 1μF 的電容，陶瓷電容是較好的選擇。ESR 引起的額外輸出紋波可通過(guò)以下公式計(jì)算： [V{ripple ESR }=I{out } × R{ESR}] 陶瓷電容的 ESR 較低，可忽略 (V_{ripple ESR})，但使用鉭電容或電解電容時(shí)需要考慮。在負(fù)載瞬變期間，較大的電容有助于減少電壓過(guò)沖和下沖，提高環(huán)路穩(wěn)定性。同時(shí)，要注意陶瓷電容的降額問(wèn)題，必要時(shí)可使用多個(gè)小電容并聯(lián)。

四、布局注意事項(xiàng)

1. 布局準(zhǔn)則

PCB 布局對(duì)于開關(guān)電源的穩(wěn)定性和電磁兼容性至關(guān)重要。對(duì)于 TPS6115x，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 引腳和 GND 引腳，以減少輸入紋波。電感可靠近器件放置，輸出電容要靠近負(fù)載，以最小化紋波并最大化瞬態(tài)性能。信號(hào)地走線要短，并與功率地走線分開，最后在 PCB 上的單點(diǎn)連接。

2. 布局示例

提供了 TPS61150 的布局示例，可作為實(shí)際設(shè)計(jì)的參考。

五、總結(jié)

TPS6115x 以其出色的性能和豐富的功能，為 WLED 背光設(shè)計(jì)提供了高效、靈活的解決方案。在設(shè)計(jì)過(guò)程中，我們需要根據(jù)具體應(yīng)用需求，合理選擇電感、電容等元件，精心進(jìn)行 PCB 布局，以確保系統(tǒng)的穩(wěn)定性和性能。同時(shí)，要注意不同調(diào)光方式的特點(diǎn)和應(yīng)用場(chǎng)景，以及元件參數(shù)的公差和降額問(wèn)題。希望本文能為各位電子工程師在 TPS6115x 的設(shè)計(jì)應(yīng)用中提供有價(jià)值的參考。你在使用 TPS6115x 過(guò)程中遇到過(guò)哪些問(wèn)題呢？歡迎在評(píng)論區(qū)分享交流。