TPS6115x 雙輸出升壓 WLED 驅動器設計全解析

在電子設備的顯示背光設計中，高效、穩定且靈活的 WLED 驅動器至關重要。TPS6115x 作為一款高性能的雙輸出升壓 WLED 驅動器，為我們提供了出色的解決方案。今天，我們就來深入探討一下 TPS6115x 的特性、應用以及詳細的設計要點。

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一、TPS6115x 特性亮點

1. 寬輸入輸出范圍

TPS6115x 支持 2.5 - 6V 的輸入電壓范圍，每個輸出最高可達 27V，這使得它能適應多種電源環境，為不同的 WLED 驅動需求提供了可能。

2. 強大的內部集成

集成了 0.7A 的開關和內置功率二極管，減少了外部元件的使用，簡化了電路設計。同時，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制（PFM）控制相關的可聽噪聲。

3. 靈活的輸出控制

輸出電流可單獨編程，通過外部電阻就能輕松實現。還具備輸入 - 輸出隔離、內置軟啟動、過壓保護等功能，不僅提高了系統的穩定性，還能保護 WLED 免受損壞。

4. 高效與調光能力

最高可達 83% 的效率，能有效降低功耗。并且支持最高 30kHz 的 PWM 調光頻率，可實現對 WLED 亮度的精確控制。

二、廣泛的應用場景

1. 翻蓋手機顯示

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

2. 多 WLED 驅動

最多可驅動 14 個 WLED，能滿足大型顯示屏的背光需求。

三、詳細的設計要點

1. 輸出電流計算

在設計中，我們需要根據具體需求計算最大輸出電流。計算公式如下： [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}) 為開關頻率，(V{IOUT }) 為升壓輸出電壓，(I{LIM}) 為過流限制，(eta) 為效率。需要注意的是，TPS6115x 的過流限制會受到輸入輸出電壓的影響，可參考典型過流限制圖表，并考慮 ±25% 的公差。同時，電流吸收電路的電流能力也會限制最大輸出電流，其設計最大電流為 35mA。

2. WLED 亮度調光

有三種調光方式可供選擇：

• 并聯電阻法：通過在 ISET 引腳電阻上并聯額外電阻來改變輸出電流，這種方法簡單但調光步驟有限。
• PWM 調光法：在 SEL 引腳施加 PWM 調光信號，通過信號的占空比來調制輸出電流。為避免 WLED 閃爍，PWM 信號頻率要足夠高。同時，為提高調光線性度，在 PWM 調光期間會禁用電流吸收電路的軟啟動。TPS6115x 還通過在 SEL 引腳為低電平時斷開 WLED 與輸出電容的連接，減少了 PWM 調光期間的電壓紋波。最大 PWM 調光頻率計算公式為： [F_{PWMMAX }=frac{D{MIN }}{T{ISINK }}] 其中，(D{MIN}) 為應用所需的最小 PWM 調光占空比。對于 20% 的 (D_{MIN})，PWM 調光頻率最高可達 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，(V{DC}) 為 DC 電壓源電壓或 PWM 信號的 DC 電壓。

3. 電感選擇

電感是電源調節器設計的關鍵組件，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。電感直流電流計算公式為： [LDC =frac{V{IOUT } × I{OUT }}{V{IN } × eta}] 計算時使用最大負載電流和最小 (V_{in})。電感值的公差會影響電路性能，當電感電流接近飽和水平時，電感值會下降。同時，電感的 DCR 會影響調節器效率，較低的 DCR 可提高效率，但要考慮 DCR 與電感尺寸的權衡。單輸出應用推薦 DCR 在 250mΩ - 450mΩ 范圍內的電感，雙輸出應用推薦 DCR 在 150mΩ - 350mΩ 范圍內的電感。

4. 輸入輸出電容選擇

輸出電容主要用于減少轉換器的輸出紋波。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{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以下公式計算： [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需要考慮。在負載瞬變期間，較大的電容有助于減少電壓過沖和下沖，提高環路穩定性。同時，要注意陶瓷電容的降額問題，必要時可使用多個小電容并聯。

四、布局注意事項

1. 布局準則

PCB 布局對于開關電源的穩定性和電磁兼容性至關重要。對于 TPS6115x，應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，輸出電容要靠近負載，以最小化紋波并最大化瞬態性能。信號地走線要短，并與功率地走線分開，最后在 PCB 上的單點連接。

2. 布局示例

提供了 TPS61150 的布局示例，可作為實際設計的參考。

五、總結

TPS6115x 以其出色的性能和豐富的功能，為 WLED 背光設計提供了高效、靈活的解決方案。在設計過程中，我們需要根據具體應用需求，合理選擇電感、電容等元件，精心進行 PCB 布局，以確保系統的穩定性和性能。同時，要注意不同調光方式的特點和應用場景，以及元件參數的公差和降額問題。希望本文能為各位電子工程師在 TPS6115x 的設計應用中提供有價值的參考。你在使用 TPS6115x 過程中遇到過哪些問題呢？歡迎在評論區分享交流。