深入解析TPS60231：高效白光LED電荷泵電流源

在電子設備的設計中，白光LED的應用越來越廣泛，而如何為其提供穩定、高效的電源成為了工程師們關注的重點。今天，我們就來深入探討德州儀器（TI）推出的TPS60231，一款專為白光LED供電優化的電荷泵電流源。

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1. 產品概述

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、智能手機、PDA、手持PC、數碼相機和攝像機等設備的彩色顯示屏背光，以及鍵盤背光等應用。它的主要特點包括：

• 精準的電流匹配：輸出電流調節精度高，匹配度達0.4%，能確保多個LED亮度一致。
• 多LED驅動能力：可同時驅動多達3個LED，每個LED的電流可達25mA。
• PWM亮度控制：通過PWM控制信號實現LED亮度調節，靈活方便。
• 高效轉換：采用1x和1.5x分數轉換模式，提高電源轉換效率。
• 寬輸入電壓范圍：2.7V至6.5V的工作輸入電壓范圍，適用于單節鋰離子電池或3 - 4節鎳鎘、鎳氫或堿性電池供電的應用。
• 低紋波和低EMI：內部軟啟動功能限制浪涌電流，降低輸入紋波和電磁干擾。
• 多重保護：具備過流、過溫保護和帶遲滯的欠壓鎖定功能，提高系統可靠性。
• 小封裝：采用超小的3mm x 3mm QFN封裝，節省電路板空間。

2. 關鍵參數

2.1 絕對最大額定值

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，關機電流小于0.1μA。
• 電荷泵階段：過壓限制為5.5V，啟動時間為375μs，軟啟動持續時間為160μs，開關頻率為1MHz，效率可達83%。
• 電流沉：每個電流沉的推薦最大電流為25mA，當ISET引腳接地時為50mA，任意兩個輸出之間的電流匹配度為±0.4%，線路調整率為±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采用分數轉換電荷泵為集成電流沉提供電源，通過自動在1x和1.5x模式之間切換，優化電源轉換效率，延長電池使用時間。電荷泵可產生75mA的輸出電流，每個LED輸出可提供高達25mA的電流。LED的最大電流由連接到ISET引腳的電阻設置，該電阻編程一個參考電流，通過電流鏡像來設置LED電流。

4. 設計要點

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的功率轉換效率可通過計算每個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，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，當電流源無法維持恒定電流調節時，電荷泵切換到1.5x模式，轉換效率在切換點最低；隨著電池進一步放電，效率再次提高，在輸入電壓約為3.1V時達到第二個最大值。

4.3 功率耗散

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

5. 應用案例

5.1 智能手機顯示屏應用

當需要超過25mA的輸出電流時，可將電流沉的輸入引腳并聯連接，這種方法也可用于連接只有兩個連接點的LC顯示屏。

5.2 模擬調光

ISET引腳可用于連接0mV至600mV的模擬直流信號，實現白光LED的模擬調光。輸入電壓為0V時，電流最大；輸入電壓為600mV時，LED電流為零。

5.3 混合LED應用

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）應連接到D1，因為電荷泵的輸出電壓會調節以保持D1到GND的電壓降為400mV。

6. 總結

TPS60231是一款功能強大、性能優異的白光LED電荷泵電流源，具有精準的電流控制、高效的功率轉換、多重保護等特點，適用于多種電子設備的背光應用。在設計過程中，工程師需要根據具體應用需求，合理選擇電容、計算功率效率和功率耗散，以確保系統的穩定性和可靠性。你在使用TPS60231的過程中遇到過哪些問題？又是如何解決的呢？歡迎在評論區分享你的經驗。