TPS65177/A：全 I2C 可編程 6 通道 LCD 偏置 IC 的詳細解析

在電子設備的設計中，LCD 面板的供電需求是一個關鍵環節。TPS65177/A 作為一款全 I2C 可編程的 6 通道 LCD 偏置 IC，為 GIP（Gate-in-Panel）或非 GIP TFT - LCD 面板提供了全面的供電解決方案。本文將對 TPS65177/A 的特性、功能、設計要點等方面進行詳細解析。

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一、產品概述

TPS65177/A 能夠為 GIP 或非 GIP TFT - LCD 面板提供所需的所有電源軌，所有輸出電壓均可通過 I2C 進行編程。它為 T - CON 提供 (V{(IO)}) 和 (V{(CORE)})，為源驅動器和伽馬緩沖器提供 (V{(AVDD)}) 和 (V{(HAVDD)})，為柵極驅動器或電平轉換器提供 (V{(GH)}) 和 (V{(GL)})。對于非 GIP 技術，實現了柵極脈沖調制（GPM）；對于 GIP 技術，(V{(GH)}) 軌可進行溫度補償。此外，還實現了 (V{(AVDD)}) 和 (V{(HAVDD)}) 的高壓應力模式（HVS）以及集成的 (V{(AVDD)}) 隔離開關。

二、產品特性

（一）使能/禁用功能

• TPS65177：通過 (V_{1}) 電源循環實現使能/禁用。
• TPS65177A：可通過 (V_{1}) 電源循環或 EN 引腳實現使能/禁用。

（二）輸入輸出電壓范圍

• 非同步升壓轉換器 ((V_{(AVDD)}))：輸入電壓范圍為 8.6 - 14.7V，輸出電壓范圍為 13.5 - 19.8V（通過 I2C 編程），默認輸出電壓為 15V，開關電流限制為 4.25A（通過 I2C 編程），具備高壓應力模式。
• 同步降壓轉換器 ((V_{(HAVDD)}))：輸出電壓范圍為 4.8 - 11.1V（通過 I2C 編程），默認輸出電壓為 7.5V，開關電流限制為 1.7A，具備高壓應力模式。
• 非同步降壓轉換器 ((V_{(IO)}))：輸出電壓范圍為 2.2 - 3.7V（通過 I2C 編程），默認輸出電壓為 2.5V，開關電流限制為 3A。
• 同步降壓轉換器 ((V_{(CORE)}))：輸出電壓范圍為 0.8 - 3.3V（通過 I2C 編程），默認輸出電壓為 1V，開關電流限制為 2.5A。
• 正電荷泵控制器 ((V_{(GH)}))：輸出電壓范圍為 20 - 40V（通過 I2C 編程），默認輸出電壓為 28V，溫度補償偏移為 0 - 15V（通過 I2C 編程），默認偏移為 4V（28V 到 32V）。
• 負電荷泵控制器 ((V_{(GL)}))：輸出電壓范圍為 - 14.5 - - 5.5V（通過 I2C 編程），默認輸出電壓為 - 7.9V。

（三）其他特性

• 柵極脈沖調制（GPM）：可通過 I2C 編程將其降至 0V、5V、10V 或 15V，默認放電電壓為 0V。
• 溫度補償：為 (V_{(GH)}) 提供溫度補償。
• 熱關斷：防止因過熱和功耗過大而損壞設備。
• I2C 兼容接口：方便與其他設備進行通信。
• EEPROM 存儲器：可存儲所需的輸出電壓水平。
• 封裝：采用 6mm × 6mm × 1mm 的 40 引腳 VQFN 封裝。

三、引腳配置與功能

TPS65177/A 采用 40 引腳 VQFN 封裝，各引腳具有不同的功能。例如，INBK1 為 Buck 1 轉換器 ((V_{(IO)})) 的電源引腳，SDA 和 SCL 為 I2C 數據和時鐘引腳，HVS 為升壓和 Buck 3 轉換器的高壓應力模式使能引腳等。在設計 PCB 時，需要根據引腳功能合理布局，確保信號傳輸的穩定性和可靠性。

四、規格參數

（一）絕對最大額定值

包括引腳電壓、工作結溫范圍、存儲溫度范圍等參數。例如，引腳電壓在不同引腳有不同的最大和最小值限制，工作結溫范圍為 - 40 - 150°C，存儲溫度范圍為 - 65 - 150°C。

（二）ESD 額定值

人體模型（HBM）為 ±2000V，帶電設備模型（CDM）為 ±700V。

（三）推薦工作條件

涵蓋輸入電壓范圍、電容值、電感值等參數。例如，輸入電壓范圍為 8.6 - 14.7V，不同轉換器的輸出電壓范圍和電感值也有相應的推薦值。

（四）熱信息

包括結到環境、結到外殼、結到電路板的熱阻等參數，這些參數對于散熱設計至關重要。

（五）電氣特性

詳細列出了各轉換器和控制器的參數，如開關頻率、輸出電壓范圍、輸出電壓容差、反饋輸入偏置電流、MOSFET 導通電阻、MOSFET 電流限制等。

（六）I2C 接口時序特性

規定了 SCL 時鐘頻率、SCL 時鐘的高低電平時間、總線空閑時間等參數，確保 I2C 通信的正常進行。

五、詳細描述

（一）功能概述

TPS65177/A 的所有輸出電壓均可通過 I2C 編程，一個 BOM 可以覆蓋多種面板類型和尺寸，所需的輸出電壓水平可在生產過程中進行編程并存儲在非易失性集成存儲器中。

（二）功能框圖

展示了各個模塊的連接和工作流程，包括欠壓鎖定、調節器、熱關斷、帶隙、啟動電路等。

（三）特性描述

1. 上電

當 (V{1}) 高于欠壓鎖定（UVLO）閾值時，設備將非易失性初始值寄存器中的存儲值加載到易失性 DAC 寄存器中，然后按照一定的順序啟動各個轉換器和控制器。不同型號（TPS65177 和 TPS65177A）在某些情況下的處理方式有所不同，例如當 EN 引腳未連接到 (V{1}) 時，TPS65177 檢測到 (V{(AVDD)}) 電壓崩潰后會進入部分關閉狀態，只有電源循環才能重啟相關電源軌；而 TPS65177A 在某些情況下可以不通過電源循環重啟，但當 (V{(GL)}) 由升壓開關引腳驅動時，EN 引腳應連接到 (V_{1})。

2. 下電

當 (V{1}) 低于 UVLO 閾值時，所有模塊禁用，放電速率由輸出負載和輸出電容決定，柵極脈沖調制輸出 (V{(GHM)}) 跟隨 (V_{(GH)})。

3. 熱關斷

當溫度超過 150°C 時，設備關閉，只有 (V_{1}) 低于 UVLO 閾值才能重置熱關斷。

4. 欠壓鎖定

當輸入電壓低于 8.3V 時，設備關閉，避免誤操作。

5. 短路和過載保護

不同的轉換器和控制器在輸出電壓低于一定比例（40% 或 80% 標稱值）或持續時間過長時，會進入關閉狀態，且只有觸發 UVLO 才能再次啟用設備。

（四）設備功能模式

1. 升壓轉換器 ((V_{(AVDD)}))

采用準同步電流模式，固定頻率為 750kHz，通過外部 RC 電路進行補償。具有軟啟動功能，包括輸入 - 輸出隔離開關軟啟動和升壓轉換器軟啟動。輸出電壓可通過 I2C 在 13.5 - 19.8V 之間以 100mV 步長編程，還具備高壓應力模式和可編程電流限制。在設計時，需要根據應用需求計算轉換器占空比、電感紋波電流、最大輸出電流和峰值開關電流等參數，并合理選擇電感、整流二極管和輸出電容。

2. Buck 1 轉換器 ((V_{(IO)}))

非同步電流模式，固定頻率為 750kHz，根據負載電流可工作在不連續導通模式（DCM）或連續導通模式（CCM）。具有軟啟動功能，輸出電壓可通過 I2C 在 2.2 - 3.7V 之間以 100mV 步長編程。設計時同樣需要計算相關參數，并選擇合適的電感、整流二極管和輸出電容。

3. Buck 2 轉換器 ((V_{(CORE)}))

同步電流模式，采用脈沖頻率調制（PFM），固定關斷時間，典型頻率為 1MHz。可通過 I2C 禁用，具有軟啟動功能，輸出電壓可通過 I2C 在 0.8 - 3.3V 之間以 100mV 步長編程。設計時需計算開關頻率、轉換器占空比、電感紋波電流、最大輸出電流和峰值開關電流等參數，并選擇合適的電感和輸出電容。

4. Buck 3 轉換器 ((V_{(HAVDD)}))

同步電流模式，采用脈沖頻率調制（PFM），固定關斷時間，典型頻率為 1MHz。可通過 I2C 禁用，與升壓轉換器一起啟用，輸出電壓可通過 I2C 在 4.8 - 11.1V 之間以 100mV 步長編程，具備高壓應力模式。設計時需計算相關參數，并選擇合適的電感和輸出電容。

5. 正電荷泵控制器 ((V_{(GH)}))

由升壓轉換器的開關節點驅動，通過控制外部 PNP 晶體管的電流進行調節，具備溫度補償功能，輸出電壓和溫度補償水平可通過 I2C 編程。設計時需要計算支持的最大輸出電壓，選擇合適的二極管、晶體管、基極 - 發射極電阻、飛跨電容、開關節點電阻和輸出電容。

6. 負電荷泵控制器 ((V_{(GL)}))

通常由 Buck 1 轉換器的開關節點驅動，也可連接到升壓轉換器的開關節點，通過控制外部 NPN 晶體管的電流進行調節，可通過 I2C 禁用。設計時需要計算支持的最大輸出電壓，選擇合適的二極管、晶體管、基極 - 發射極電阻、飛跨電容、開關節點電阻和輸出電容。

7. 柵極脈沖調制 ((V_{(GHM)}))

由 CTRL 引腳控制，在啟動和關閉期間有特定的狀態。可通過 I2C 禁用，放電斜率由外部電阻、內部 MOSFET (R_{DS(ON)}) 和柵極線電容決定，還可通過 I2C 編程設置限制電壓。

（五）編程

1. I2C 串行接口描述

TPS65177/A 通過行業標準的 2 線 I2C 接口進行通信，支持標準模式（100kbps）和快速模式（400kbps），采用 7 位尋址。通信過程包括起始條件、地址傳輸、數據傳輸和停止條件，設備通過應答信號確認通信。

2. 存儲器描述

包含非易失性 EEPROM（初始值寄存器 IVR）和易失性存儲器（DAC 寄存器 DR），通過控制寄存器（CR）選擇訪問 IVR 或 DR。

3. 讀寫描述

讀取易失性存儲器（DR）數據時，CR 的 LSB（EE/DR）需設置為 0；讀取非易失性 EEPROM（IVR）數據時，CR 的 LSB 需設置為 1。寫入非易失性 EEPROM 時，需先編程所有數據寄存器，然后將 CR 的 MSB（WED）設置為 1，寫入過程有 50ms 的死區時間。

4. 讀寫操作

詳細介紹了寫入單個字節到 DAC 寄存器、寫入多個字節到 DAC 寄存器、將所有 DAC 寄存器數據寫入 EEPROM、讀取單個數據從 DAC 寄存器、讀取多個數據從 DAC 寄存器、讀取單個數據到 EEPROM 和讀取多個數據到 EEPROM 的操作步驟和示例。

（六）寄存器映射

列出了各個寄存器的名稱、地址、工廠值、位計數和步數計數，以及不同 DAC 值對應的輸出電壓等信息，方便工程師進行編程和配置。

六、應用與實現

（一）應用信息

提供了一個典型的應用電路，適用于為 GIP 或非 GIP 技術的 LCD 面板供電。

（二）典型應用

1. 設計要求

給出了設計示例的參數，如電壓、開關頻率等。

2. 詳細設計步驟

可參考設備功能模式部分的詳細設計步驟。

3. 應用曲線

展示了各個轉換器和控制器在不同條件下的效率、PWM 開關波形和負載瞬態響應等曲線，幫助工程師了解設備的性能。

（三）系統示例

給出了 (V_{(GH)}) 溫度補償禁用和柵極脈沖調制禁用的系統示例電路，以及輸入電容的選擇建議。

七、電源供應建議

設備設計用于 8.6 - 14.7V 的輸入電源，為了實現設備的最佳性能，輸入電源應穩定且無噪聲。

八、布局設計

（一）布局指南

在 PCB 布局時，需要考慮將紅色標記的組件盡可能靠近設備放置，保持紅色線路短；加粗的線路表示高電流，應在 PCB 上使用較寬的走線；輸入電容應盡可能靠近 IC；對于 (V{(AVDD)}) 和 (V{(IO)}) 等線路，應保持短且低電阻；補償網絡應靠近 IC 并通過短線路連接到 COMP 和 AGND；反饋線路應遠離開關走線，避免噪聲耦合；電感可放置在離 IC 較遠的位置以減少發熱；所有 IC 接地（AGND、PGNDx）應連接到外露熱焊盤；盡量避免在電源線中使用過孔；外露熱焊盤應焊接到大面積的接地冷卻區域，并使用盡可能多的過孔以保持設備涼爽；熱敏電阻 NTC 應遠離熱源，放置在 PCB 的最冷點以準確測量環境溫度。

（二）布局示例

提供了一個布局示例圖，展示了各個組件的布局方式。

九、設備與文檔支持

（一）相關鏈接

提供了技術文檔、支持和社區資源、工具和軟件以及樣品購買等方面的快速訪問鏈接。

（二）第三方產品免責聲明

TI 對第三方產品或服務的信息發布不構成對其適用性的認可或擔保。

（三）社區資源

包括 TI E2E? 在線社區和設計支持，方便工程師交流和獲取幫助。

（四）商標

E2E 是德州儀器的商標，其他商標歸各自所有者所有。

（五）靜電放電注意事項

這些設備的內置 ESD 保護有限，在存儲或處理時應將引腳短路或放置在導電泡沫中，以防止 MOS 柵極受到靜電損壞。

（六）術語表

提供了相關術語、首字母縮寫詞和定義的解釋。

十、機械、封裝和可訂購信息

詳細列出了不同型號的可訂購部件編號、狀態、材料類型、封裝、引腳數、封裝數量、載體、RoHS 合規性、引腳鍍層/球材料、MSL 評級/峰值回流溫度、工作溫度和部件標記等信息，以及包裝材料的尺寸和相關說明。

綜上所述，TPS65177/A 是一款功能強大的 LCD 偏置 IC，為 LCD 面板的供電提供了全面的解決方案。在設計過程中，工程師需要根據具體的應用需求，合理選擇參數、進行布局設計，并注意編程和操作的細節，以確保設備的正常運行和性能優化。你在實際應用中是否遇到過類似芯片的使用問題呢？歡迎在評論區分享你的經驗和見解。