深入解析TPS60231：高效白光LED電荷泵電流源

在電子設(shè)備的設(shè)計(jì)中，白光LED的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，而如何為其提供穩(wěn)定、高效的電源成為了工程師們關(guān)注的重點(diǎn)。今天，我們就來(lái)深入探討德州儀器（TI）推出的TPS60231，一款專為白光LED供電優(yōu)化的電荷泵電流源。

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1. 產(chǎn)品概述

TPS60231是一款具備PWM亮度控制功能的白光LED電荷泵電流源，適用于手機(jī)、智能手機(jī)、PDA、手持PC、數(shù)碼相機(jī)和攝像機(jī)等設(shè)備的彩色顯示屏背光，以及鍵盤背光等應(yīng)用。它的主要特點(diǎn)包括：

• 精準(zhǔn)的電流匹配：輸出電流調(diào)節(jié)精度高，匹配度達(dá)0.4%，能確保多個(gè)LED亮度一致。
• 多LED驅(qū)動(dòng)能力：可同時(shí)驅(qū)動(dòng)多達(dá)3個(gè)LED，每個(gè)LED的電流可達(dá)25mA。
• PWM亮度控制：通過(guò)PWM控制信號(hào)實(shí)現(xiàn)LED亮度調(diào)節(jié)，靈活方便。
• 高效轉(zhuǎn)換：采用1x和1.5x分?jǐn)?shù)轉(zhuǎn)換模式，提高電源轉(zhuǎn)換效率。
• 寬輸入電壓范圍：2.7V至6.5V的工作輸入電壓范圍，適用于單節(jié)鋰離子電池或3 - 4節(jié)鎳鎘、鎳氫或堿性電池供電的應(yīng)用。
• 低紋波和低EMI：內(nèi)部軟啟動(dòng)功能限制浪涌電流，降低輸入紋波和電磁干擾。
• 多重保護(hù)：具備過(guò)流、過(guò)溫保護(hù)和帶遲滯的欠壓鎖定功能，提高系統(tǒng)可靠性。
• 小封裝：采用超小的3mm x 3mm QFN封裝，節(jié)省電路板空間。

2. 關(guān)鍵參數(shù)

2.1 絕對(duì)最大額定值

2.2 推薦工作條件

2.3 電氣特性

在(V{1}=3.6V)，(EN1 = EN2 = V)，(T{A}=-40^{circ}C)至85°C的條件下，TPS60231具有以下電氣特性：

• 電源電壓和電流：輸入電壓范圍為2.7V至6.5V，工作靜態(tài)電流在不同模式下有所不同，如x1模式下為200μA，x1.5模式下為2.1mA，關(guān)機(jī)電流小于0.1μA。
• 電荷泵階段：過(guò)壓限制為5.5V，啟動(dòng)時(shí)間為375μs，軟啟動(dòng)持續(xù)時(shí)間為160μs，開關(guān)頻率為1MHz，效率可達(dá)83%。
• 電流沉：每個(gè)電流沉的推薦最大電流為25mA，當(dāng)ISET引腳接地時(shí)為50mA，任意兩個(gè)輸出之間的電流匹配度為±0.4%，線路調(diào)整率為±3%。
• 使能引腳：EN1和EN2的高電平輸入電壓為1.3V，低電平輸入電壓為0.3V，具有50mV的遲滯。

3. 工作原理

TPS60231采用分?jǐn)?shù)轉(zhuǎn)換電荷泵為集成電流沉提供電源，通過(guò)自動(dòng)在1x和1.5x模式之間切換，優(yōu)化電源轉(zhuǎn)換效率，延長(zhǎng)電池使用時(shí)間。電荷泵可產(chǎn)生75mA的輸出電流，每個(gè)LED輸出可提供高達(dá)25mA的電流。LED的最大電流由連接到ISET引腳的電阻設(shè)置，該電阻編程一個(gè)參考電流，通過(guò)電流鏡像來(lái)設(shè)置LED電流。

4. 設(shè)計(jì)要點(diǎn)

4.1 電容選擇

推薦使用X5R或X7R等陶瓷電容，飛跨電容C1和C2應(yīng)選用低ESR電容，以避免不必要的效率損失。低ESR的VOUT電容可降低電流源電源的紋波電壓。

4.2 功率效率

TPS60231的功率轉(zhuǎn)換效率可通過(guò)計(jì)算每個(gè)LED電流和電壓的乘積之和，再除以輸入電壓和電流的乘積得到。在電池充滿電時(shí)，輸入電壓通常高于LED正向電壓，電荷泵工作在1x模式，效率很高；隨著電池放電，當(dāng)電流源無(wú)法維持恒定電流調(diào)節(jié)時(shí)，電荷泵切換到1.5x模式，轉(zhuǎn)換效率在切換點(diǎn)最低；隨著電池進(jìn)一步放電，效率再次提高，在輸入電壓約為3.1V時(shí)達(dá)到第二個(gè)最大值。

4.3 功率耗散

TPS60231內(nèi)部的最大功率耗散可根據(jù)公式(P{D max }=[(1.5 × V{1})-V{O}+0.4V] × I{O})計(jì)算，最大允許功率耗散可根據(jù)公式(P{D max, package }=frac{T{Jmax }-T{A}}{R{theta j a}})計(jì)算。

5. 應(yīng)用案例

5.1 智能手機(jī)顯示屏應(yīng)用

當(dāng)需要超過(guò)25mA的輸出電流時(shí)，可將電流沉的輸入引腳并聯(lián)連接，這種方法也可用于連接只有兩個(gè)連接點(diǎn)的LC顯示屏。

5.2 模擬調(diào)光

ISET引腳可用于連接0mV至600mV的模擬直流信號(hào)，實(shí)現(xiàn)白光LED的模擬調(diào)光。輸入電壓為0V時(shí)，電流最大；輸入電壓為600mV時(shí)，LED電流為零。

5.3 混合LED應(yīng)用

TPS60231可用于為各種類型的LED供電，也可混合使用白光LED和正向電壓較低的彩色LED。具有最高正向電壓的LED（通常為白光LED）應(yīng)連接到D1，因?yàn)殡姾杀玫妮敵鲭妷簳?huì)調(diào)節(jié)以保持D1到GND的電壓降為400mV。

6. 總結(jié)

TPS60231是一款功能強(qiáng)大、性能優(yōu)異的白光LED電荷泵電流源，具有精準(zhǔn)的電流控制、高效的功率轉(zhuǎn)換、多重保護(hù)等特點(diǎn)，適用于多種電子設(shè)備的背光應(yīng)用。在設(shè)計(jì)過(guò)程中，工程師需要根據(jù)具體應(yīng)用需求，合理選擇電容、計(jì)算功率效率和功率耗散，以確保系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。你在使用TPS60231的過(guò)程中遇到過(guò)哪些問題？又是如何解決的呢？歡迎在評(píng)論區(qū)分享你的經(jīng)驗(yàn)。