TPS61169：高電流升壓WLED驅動器的技術解析與應用指南

在電子設備的設計中，LED驅動電路是一個關鍵部分，尤其是對于需要高效、穩定背光的設備。德州儀器（TI）的TPS61169高電流升壓WLED驅動器，為小尺寸到大尺寸面板背光應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動器的特性、應用和設計要點。

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1. 特性亮點

TPS61169具有一系列令人矚目的特性，使其在眾多LED驅動器中脫穎而出。

• 寬輸入電壓范圍：支持2.7V至5.5V的輸入電壓，適應多種電源環境。
• 集成高效MOSFET：內置40V、1.8A的MOSFET，最小開關電流限制為1.2A，能夠驅動高達38V的LED串。
• 高開關頻率：1.2MHz的開關頻率，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，降低了電流檢測電阻的功耗。
• 多種保護功能：具備開路LED保護、欠壓保護、內置軟啟動和熱關斷功能，確保設備的穩定性和可靠性。
• 高效節能：最高效率可達90%，有效降低功耗。

2. 應用領域

TPS61169的應用范圍廣泛，涵蓋了眾多需要LED背光的設備：

• 移動設備：智能手機、平板電腦的背光。
• 手持設備：PDAs、手持電腦、GPS接收器、便攜式媒體播放器和便攜式電視。
• 工業與醫療設備：手持數據終端（EPOS）、手持醫療設備、恒溫器顯示器和血糖儀。
• 其他應用：手電筒、冰箱和烤箱等。

3. 功能概述

3.1 工作原理

TPS61169是一款升壓轉換器，采用電流模式控制和準恒定頻率方案。在導通期間，電流流入電感器；當電流達到內部GM放大器設定的閾值時，功率開關MOSFET關閉。電感器極性改變，使肖特基二極管正向偏置，電流流向升壓轉換器的輸出。關斷時間對于特定的輸入和輸出電壓是固定的，從而在不同參數變化時保持相同的頻率。

3.2 關鍵特性描述

• 軟啟動：集成軟啟動電路，避免啟動時的高浪涌電流尖峰。啟動后，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。啟動期間，開關電流限制設定為0.72A，約6.5ms后恢復到正常的電流限制值。
• 開路LED保護：監測SW引腳和FB引腳的電壓，當SW電壓超過過壓閾值且FB電壓低于30mV，且這種情況持續3個開關周期時，關閉開關FET并關閉設備，防止輸出電壓超過設備的絕對最大額定值。
• 關斷模式：當CTRL引腳電壓為邏輯低電平超過2.5ms時，設備進入關斷模式，輸入電源電流小于2μA（最大值）。
• 電流編程：通過與LED串串聯的電流檢測電阻RSET外部編程LED電流，FB電壓由204mV的低參考電壓調節。
• LED亮度調光：通過CTRL引腳接收PWM調光信號控制總輸出電流。PWM信號的占空比決定FB引腳的調節電壓，從而實現LED亮度調光。這種方法避免了傳統PWM調光可能產生的可聽噪聲。
• 欠壓鎖定：防止設備在輸入電壓低于典型2V時工作。當輸入電壓低于欠壓閾值時，設備關閉；當輸入電壓上升超過欠壓鎖定遲滯值時，設備重啟。
• 熱折返和熱關斷：當設備驅動大尺寸面板應用的重負載時，功率耗散增加，結溫可能升高。熱折返功能在結溫高于100°C時自動降低開關電流限制，控制功率耗散。當結溫超過160°C時，內部熱關斷功能關閉設備；當結溫下降15°C時，設備自動恢復。

4. 引腳配置與功能

5. 規格參數

5.1 絕對最大額定值

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. 應用與設計

6.1 設計要求

6.2 詳細設計步驟

6.2.1 電感器選擇

電感器的選擇對功率效率、穩態運行、瞬態行為和環路穩定性有重要影響。選擇時需考慮電感值、直流電阻和飽和電流。推薦電感值范圍為4.7μH至10μH，對于輸入電壓高于5V的情況，推薦使用4.7μH的電感器。計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})為升壓開關頻率。

6.2.2 肖特基二極管選擇

TPS61169需要一個低正向電壓、高速和低電容的肖特基二極管以實現最佳效率。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路穩定性的要求。紋波電壓與電容值及其等效串聯電阻（ESR）有關。假設電容ESR為零，給定紋波所需的最小電容可通過以下公式計算： [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，對于典型應用，推薦使用1μF至4.7μF的電容。

6.2.4 LED電流設定電阻

LED電流設定電阻可通過公式(I{LED}=frac{V{FB}}{R{SET}})計算，其中(I{LED})為LED串的總輸出電流，(V{FB})為FB引腳的調節電壓，(R{SET})為電流檢測電阻。

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}})計算，其中(T{J})為推薦工作條件下允許的結溫，(T{A})為應用的環境溫度，(R_{theta JA})為結到環境的熱阻。此外，TPS61169還具有熱折返功能，可自動降低熱應力。

6.3 布局建議

布局對于開關電源的性能至關重要，特別是對于高頻和大電流的應用。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})應靠近VIN引腳和GND引腳，以減少設備看到的輸入紋波。
• 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盡可能短而寬。
• 輸出電容(C{OUT})應靠近VOUT引腳，并且(C{OUT})的接地應靠近GND引腳。
• FB電阻應靠近FB引腳。
• 建議使用短走線將信號地與功率地分開，并在靠近GND引腳的單點連接。

7. 總結

TPS61169是一款功能強大、性能出色的高電流升壓WLED驅動器，適用于多種LED背光應用。通過合理選擇外部元件和優化布局設計，可以充分發揮其優勢，實現高效、穩定的LED驅動。在實際設計中，工程師需要根據具體應用需求，仔細考慮各項參數和特性，確保設計的可靠性和性能。 你在使用TPS61169的過程中遇到過哪些問題呢？歡迎在評論區分享你的經驗和見解。