深入解析 TPS65133：±5-V、250-mA 雙輸出電源芯片

在電子設計領域，電源管理芯片的性能直接影響著整個系統的穩定性和效率。今天我們要深入探討的就是德州儀器（TI）推出的 TPS65133，一款專為需要 ±5.0-V 電源軌的系統而設計的雙輸出電源芯片。

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一、芯片概述

TPS65133 集成了一個升壓轉換器和一個反相降壓 - 升壓轉換器，能夠分別提供固定的 +5.0 V 和 -5.0 V 輸出電壓，每個輸出的電流能力最高可達 250 mA。其輸入電壓范圍為 2.9 V 至 5.0 V，適用于鋰離子電池供電或 3.3-V 固定電源供電的應用場景。在大多數應用中，該芯片的效率通常超過 90%，并且兩個轉換器獨立工作，允許正、負輸出電流之間存在 100% 的不匹配。

二、主要特性

（一）輸入輸出特性

• 輸入電壓范圍：2.9-V 至 5.0-V 的輸入電壓范圍，使其能夠靈活適應不同的電源供電，如鋰離子電池或 3.3-V 固定電源。
• 輸出電壓精度：固定的 +5.0 V 和 -5.0 V 輸出電壓，且輸出電壓精度為 ±1%，為系統提供了穩定的電源。

（二）性能特性

• 高效率：在大多數應用中效率通常超過 90%，能夠有效降低功耗，延長電池續航時間。
• 高輸出電流能力：每個輸出可提供高達 250 mA 的輸出電流，滿足大多數負載的需求。
• 獨立轉換器操作：兩個轉換器獨立工作，允許正、負輸出電流之間存在 100% 的不匹配，增加了設計的靈活性。
• 出色的瞬態響應：具有良好的線路和負載瞬態響應，能夠快速響應負載變化，保證輸出電壓的穩定性。
• 低輸出噪聲：工作在連續導通模式（CCM）下，可將輸出噪聲降至最低。
• 寬輸入電壓適應性：升壓轉換器能夠在接近 5.0 V 的輸入電源電壓下工作。

（三）保護特性

• 短路保護：當檢測到輸出短路時，芯片會限制輸出電流，保護芯片和負載免受損壞。
• 熱關斷：當芯片的結溫超過 135°C（典型值）時，會自動進入熱關斷狀態，防止芯片因過熱而損壞。

三、應用領域

TPS65133 的應用非常廣泛，常見的應用場景包括：

• LCD 偏置：為 LCD 顯示屏提供穩定的偏置電壓，確保顯示屏的正常顯示。
• AMOLED 電源：滿足 AMOLED 顯示屏對電源的要求，提供穩定的正、負電源。
• 運算放大器電源：為運算放大器提供穩定的電源，保證其性能的穩定。
• 耳機放大器電源：為耳機放大器提供合適的電源，提升音頻質量。
• 傳感器前端電源：為傳感器前端電路提供穩定的電源，確保傳感器的準確測量。
• 數據采集電源：為數據采集系統提供穩定的電源，保證數據采集的準確性。
• 通用 ±5-V 電源：可作為通用的 ±5-V 電源，為各種需要該電壓的電路供電。

四、典型應用電路

TPS65133 的典型應用電路如圖所示，通過合理選擇外部元件，可以實現從 2.9 V 至 5.0 V 的輸入電壓轉換為 ±5 V、250 mA 的輸出。

（一）設計要求

• 輸入電壓范圍：2.9 V 至 5.0 V
• 輸出電壓：±5.0 V
• 開關頻率：1.7 MHz

（二）元件選擇

• 電感：推薦使用 4.7 μH 的電感，如 Coilmaster 的 MMPP252012 - 4R7N、Toko 的 1239AS - H - 4R7M 等。不同的電感值可能會影響芯片的性能，因此在使用不同電感值時，需要進行充分的性能測試。
• 電容：C1、C2、C3 推薦使用 10 μF 的電容，C4 推薦使用 100 nF 的電容。減少電容值可能會導致輸出電壓紋波增加，因此在設計時需要根據實際需求進行選擇。

五、詳細功能解析

（一）升壓轉換器（VPOS）

• 開關頻率：開關頻率通常約為 1.7 MHz，會隨著工作條件的變化而略有波動。
• 輸出電壓：輸出電壓工廠編程為 5.0 V ±1.0%，用戶無法更改。
• 啟動：當 EN 引腳為高電平且輸入電源電壓高于欠壓鎖定（UVLO）閾值時，升壓轉換器啟動，并具有集成的軟啟動功能，以控制輸出電壓的上升。
• 關斷：當 EN 引腳為低電平或輸入電源電壓低于 UVLO 閾值時，升壓轉換器關斷。
• 主動放電：當轉換器禁用時，輸出會主動放電到地。在啟動時，當輸入電源電壓高于 UVLO 閾值時，主動放電開始；在關斷時，主動放電持續到輸入電源電壓過低無法支持其工作（約 1.5 V）。
• 短路保護：在啟動過程中檢測到短路時，轉換器會限制輸出電流，直到短路條件消除。在正常工作時，如果 VPOS < 4.1 V 持續超過 3 ms，則檢測到短路，此時 VPOS 和 VNEG 都會被禁用，芯片進入關斷狀態。恢復正常工作需要將 EN 引腳拉低再拉高，或循環輸入電源電壓。

（二）反相降壓 - 升壓轉換器（VNEG）

• 開關頻率：開關頻率約為 1.7 MHz，會隨工作條件變化而略有波動。
• 輸出電壓：輸出電壓工廠編程為 -5.0 V ±1.0%，用戶無法更改。
• 啟動：在升壓轉換器輸出達到 5.0 V 后約 2 ms 啟動，啟動時開關電流受限，輸出電壓以受控方式上升。
• 關斷：當 EN 引腳為低電平或輸入電源電壓低于 UVLO 閾值時，反相降壓 - 升壓轉換器關斷。
• 主動放電：與升壓轉換器類似，當轉換器禁用時，輸出會主動放電到地。
• 短路保護：在啟動過程中檢測到短路時，轉換器會限制輸出電流，直到短路條件消除。在正常工作時，如果 VNEG > -4.5 V 持續超過 3 ms，則檢測到短路，此時 VPOS 和 VNEG 都會被禁用，芯片進入關斷狀態。恢復正常工作需要將 EN 引腳拉低再拉高，或循環輸入電源電壓。

（三）啟動和關斷時序

TPS65133 的啟動和關斷時序如圖所示，通過合理的時序控制，確保芯片的穩定工作。

（四）熱關斷功能

芯片具有熱關斷功能，當結溫超過 135°C（典型值）時，芯片會進入關斷狀態，以防止過熱損壞。恢復正常工作需要將 EN 引腳拉低再拉高，或循環輸入電源電壓。

六、設計建議

（一）電源供應

TPS65133 設計用于 2.9 V 至 5.0 V 的輸入電源電壓。如果輸入電源與芯片之間的距離超過幾厘米，可能需要額外的大容量電容來穩定電源。

（二）布局設計

• 布線：盡量使用短而寬的走線在頂層路由不連續的開關電流，避免通過過孔布線，因為過孔具有較高的寄生電感和電阻。
• 電容放置：將 C1 盡可能靠近引腳 12，C2 盡可能靠近引腳 3，C3 盡可能靠近引腳 9。
• 接地：使用外露的散熱焊盤連接 GND、AGND 和 PGND，并使用銅箔（最好在第二層）作為散熱片，通過多個散熱過孔將其連接到外露的散熱焊盤。

七、總結

TPS65133 是一款性能出色的雙輸出電源芯片，具有高效率、高輸出電流能力、獨立轉換器操作、出色的瞬態響應和多種保護功能等優點。在實際應用中，通過合理選擇外部元件和優化布局設計，可以充分發揮其性能，為各種需要 ±5-V 電源軌的系統提供穩定可靠的電源解決方案。你在使用 TPS65133 過程中遇到過哪些問題呢？歡迎在評論區分享交流。