TPS65132：單電感雙輸出電源芯片的設計與應用

在電子設備的電源設計中，如何高效、穩定地提供正負電源是一個關鍵問題。德州儀器（TI）的TPS65132單電感雙輸出電源芯片為這一問題提供了出色的解決方案。本文將深入探討TPS65132的特性、工作原理、設計要點以及應用場景，幫助電子工程師更好地理解和使用這款芯片。

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一、TPS65132概述

TPS65132系列專為正負驅動應用而設計，采用單電感方案為兩個輸出提供電源，具有小尺寸、低物料清單成本和高效率的特點。其輸入電壓范圍為2.5V至5.5V，非常適合由單節電池（如鋰離子、鎳氫、鋰聚合物電池）以及固定的3.3V和5V電源軌供電的產品。

主要特性

1. 寬輸入電壓范圍：2.5V至5.5V，適應多種電源供電。
2. 可調輸出電壓：正輸出電壓 (V{POS}) 范圍為4V至6V，負輸出電壓 (V{NEG}) 范圍為 -6V至 -4V，步長均為0.1V。
3. 高效率：在輸出電流 (I{OUT}>10mA) 時，效率大于85%；在 (I{OUT}>40mA) 時，效率大于90%。
4. 出色的性能：具有優秀的瞬態響應和1%的全溫度范圍輸出電壓精度。
5. I2C接口：支持可編程的電源上電/下電順序、靈活的輸出電壓編程和可編程的有源輸出放電。
6. 多種輸出電流選項：最大輸出電流有80mA和150mA可選。

應用領域

1. 中小型雙極LCD顯示器：如智能手機、平板電腦、相機、GPS、智能家居設備和可穿戴設備（智能手表、活動追蹤器）等。
2. 通用分軌電源：適用于差分音頻、耳機放大器、儀器儀表、運算放大器、比較器以及DAC/ADC等。

二、工作原理

整體架構

TPS65132通過同步升壓轉換器產生正電壓，該電壓由集成的LDO進行調節，提供正電源軌 (V{POS})。負電源軌 (V{NEG}) 則由集成的負電荷泵（CPN）從升壓轉換器的輸出引腳REG驅動產生。

各模塊功能

1. 欠壓鎖定（UVLO）：當VIN引腳電壓超過UVLO閾值（最大2.5V）時，設備啟用。只要使能信號未拉高，就不會產生輸出電壓。當 (V{IN}) 電壓低于UVLO閾值時，設備及所有轉換器（升壓轉換器、LDO、CPN）將被禁用。對于TPS65132Ax，當達到UVLO閾值時會啟動40ms延遲，防止因 (V{IN}) 電壓尖峰導致設備頻繁啟用和禁用。
2. 有源放電：可以對正軌和/或負軌進行有源放電編程（分別通過DISP和DISN位）。當使能信號拉低時，放電將在電源關閉時發生。
3. 升壓轉換器
   • 工作模式：采用電流模式拓撲，以約1.8MHz的準固定頻率工作，可使用2.2μH或4.7μH的片式電感。根據負載電流，轉換器可在連續導通模式（CCM）或脈沖頻率調制模式（PFM）下工作，以提供最高效率。
   • 上電與軟啟動：當一個使能信號拉高且VIN引腳電壓高于UVLO閾值時，升壓轉換器開始開關。對于TPS65132Ax，若在 (V_{IN}) 達到UVLO閾值時使能信號已拉高，則需經過40ms延遲后才開始開關。啟動時采用集成的軟啟動，避免從電源汲取過多的浪涌電流。
   • 斷電：當 (V_{IN}) 低于UVLO閾值或兩個輸出軌均禁用時，升壓轉換器停止開關。
   • 隔離：升壓轉換器輸出（REG）與輸入電源 (V_{IN}) 隔離，實現真正的關機。
   • 輸出電壓調整：根據編程的 (V{POS}) 和 (V{NEG}) 電壓自動調整輸出電壓。
   • 輕載節能模式：集成電源節省模式，在輕載時提高效率。當電感電流達到0A時，轉換器停止開關；當 (V_{REG}) 電壓低于調節水平時，恢復開關活動。
4. LDO穩壓器
   • 工作原理：通過調節升壓轉換器的輸出電壓（VREG）產生正電壓軌 (V_{POS})，其固有的電源抑制比有助于過濾升壓轉換器的輸出紋波，為顯示源驅動IC等提供干凈的電壓。
   • 上電與軟啟動：當ENP信號拉高、 (V{IN}) 電壓高于UVLO閾值且升壓轉換器達到其電源良好閾值時，LDO開始工作。啟動時集成軟啟動，緩慢提升輸出電壓 (V{POS})。
   • 斷電與放電：當 (V_{IN}) 低于UVLO閾值或ENP拉低時，LDO停止工作。正軌可在斷電時主動放電至GND。
   • 隔離：在軌道未啟用時，LDO將 (V{POS}) 軌道與 (V{REG}) 隔離，確保靈活的啟動順序。
   • 輸出電壓設置：通過I2C兼容接口可編程，范圍為 -6.0V至 -4.0V，步長為100mV。
5. 負電荷泵
   • 工作原理：通過反轉和調節升壓轉換器的輸出電壓（ (V{REG}) ）產生負電壓軌 (V{NEG})。使用4個開關和一個外部飛跨電容來生成負軌。
   • 上電與軟啟動：當ENN信號拉高、 (V{IN}) 電壓高于UVLO閾值且升壓轉換器達到其電源良好閾值時，CPN開始工作。啟動時集成軟啟動，根據所選模式（40mA或80mA）、輸出電壓和輸出電容值緩慢提升輸出電壓 (V{NEG})。
   • 斷電與放電：當 (V_{IN}) 低于UVLO閾值或ENN拉低時，CPN停止工作。負軌可在斷電時主動放電至GND。
   • 隔離：在軌道未啟用時，CPN將 (V{NEG}) 軌道與 (V{REG}) 隔離，確保靈活的啟動順序。
   • 輸出電壓設置：通過I2C兼容接口可編程，范圍為 -4.0V至 -6.0V，步長為100mV。

三、編程與寄存器配置

I2C接口

TPS65132通過行業標準的I2C兼容接口進行通信，以從機模式接收數據。它集成了非易失性存儲器（EEPROM），可存儲寄存器值，最多支持1000次編程周期。啟動時，TPS65132首先將EEPROM內容加載到寄存器中，并使用這些電壓啟動。

寄存器映射

1. VPOS寄存器（地址：0x00）：用于設置正輸出電壓 (V_{POS})，通過5位二進制值進行調整，范圍為4.0V至6.0V。
2. VNEG寄存器（地址：0x01）：用于設置負輸出電壓 (V_{NEG})，通過5位二進制值進行調整，范圍為 -4.0V至 -6.0V。
3. DLYx寄存器（地址：0x02，僅適用于TPS65132Sx）：用于設置啟動和關閉的延遲時間。
4. APPS - SEQU - SEQD - DISP - DISN寄存器（地址：0x03）：用于設置應用模式、啟動和關閉的順序以及正軌和負軌的放電功能。
5. 控制寄存器（地址：0xFF）：用于控制EEPROM數據的寫入和讀取。

四、應用設計

低電流應用（≤40mA）

TPS65132可以通過APPS位編程為40mA模式，適用于輸出電流要求不超過40mA的應用。在這種模式下，負電荷泵的輸出電流限制為40mA DC，以提供最高效率。 (V_{POS}) 軌無論模式如何，都可以提供高達200mA DC的電流。

設計要點

1. 電感選擇：為了保持 (I{OUT}/Delta I{L}) 比例足夠低，以實現正確的傳感操作，建議在40mA模式下使用4.7μH的電感。
2. 電容選擇：輸入和輸出電容建議使用低ESR陶瓷電容。輸入電容最小為4.7μF，輸出電容最小為4.7μF。飛跨電容最小為2.2μF，且在DC偏置電壓為 (|V_{NEG}| + 300mV) 時，電容值應至少達到1μF。

中電流應用（≤80mA）

通過APPS位將TPS65132編程為80mA模式，可支持輸出電流要求不超過80mA的應用。在這種模式下，負電荷泵的輸出電流限制為80mA DC。

設計要點

1. 電感選擇：為了保持 (I{OUT}/Delta I{L}) 比例足夠低，建議在80mA模式下使用2.2μH的電感。
2. 電容選擇：輸入電容最小為4.7μF，輸出電容最小為10μF。飛跨電容最小為4.7μF，且在DC偏置電壓為 (|V_{NEG}| + 300mV) 時，電容值應至少達到2.2μF。

高電流應用（≤150mA）

TPS65132Sx版本在SYNC引腳拉高時， (V{POS}) 和 (V{NEG}) 均可提供高達150mA的輸出電流。如果SYNC引腳拉低，可以通過APPS位將其編程為40mA或80mA模式，以降低 (V_{NEG}) 軌的輸出電流能力。

設計要點

設計過程和物料清單與80mA模式相同。輸出軌的啟用和禁用通過EN引腳的外部邏輯信號控制，上電和下電順序可編程。

五、布局建議

PCB布局在電源設計中至關重要，良好的PCB布局可以最小化EMI并實現良好的輸出電壓調節。對于TPS65132，建議遵循以下布局準則：

1. 電源接地平面：將電源接地平面置于頂層，所有電容接地和PGND引腳必須通過一個不間斷的接地平面連接在一起。
2. 模擬地和電源地：AGND和PGND必須連接在同一接地平面上。
3. 飛跨電容：將飛跨電容盡可能靠近IC放置。
4. 過孔：盡量避免使用過孔，因為它們具有高電感和電阻。如果必須使用過孔，應并聯使用多個過孔以減少寄生效應，特別是對于電源線。
5. REG引腳：將REG引腳連接在一起。
6. 高dv/dt信號：對于高dv/dt信號（開關引腳走線），盡量減小銅面積，以防止與其他走線或接地平面形成無意的平行板電容。最好在同一層上布線信號和返回路徑。
7. 高di/dt信號：對于高di/dt信號，保持走線短、寬且間距緊密，以減少雜散電感并減小電流環路面積，有助于防止EMI。
8. 輸入電容：將輸入電容靠近IC放置，使用低電感走線。
9. 開關節點引腳到電感的走線：盡量縮短開關節點引腳到電感的走線，以減少EMI輻射和可能耦合到轉換器其他部分的噪聲。
10. 信號隔離：將模擬信號路徑與電源路徑隔離。

六、總結

TPS65132是一款功能強大的單電感雙輸出電源芯片，具有寬輸入電壓范圍、高效率、出色的性能和靈活的編程能力。通過合理的設計和布局，可以在各種應用中實現穩定、高效的電源供應。電子工程師在使用TPS65132時，應根據具體應用需求選擇合適的工作模式和組件，并遵循布局建議，以確保系統的性能和可靠性。你在使用TPS65132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。