深入解析 TPS65178/TPS65178A：LCD 偏置電源的理想之選

作為電子工程師，在進行 LCD 相關設計時，一款合適的電源管理集成電路（IC）至關重要。今天，我們就來詳細剖析一下德州儀器（TI）推出的 TPS65178/TPS65178A，這是一款具有 6 通道伽馬緩沖器、Vcom 參考和動態(tài)增益的全可編程 LCD 偏置 IC，它究竟有哪些亮點，又該如何應用于實際設計中呢？讓我們一探究竟。

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一、產(chǎn)品概述

TPS65178/TPS65178A 為各種 LCD 偏置應用提供了簡單且經(jīng)濟的電源解決方案。它能提供 TFT - LCD 面板所需的所有電源軌，還集成了 6 個伽馬參考、LVDS 支持電源軌、Vcom 參考及其可編程動態(tài)增益。該解決方案采用小巧的 6x6mm QFN 封裝，非常適合對空間要求較高的設計。其輸入電壓范圍為 8.6V 至 14.7V，能適應不同的電源環(huán)境。

二、產(chǎn)品特性

（一）多類型電源轉(zhuǎn)換

1. 升壓轉(zhuǎn)換器（Boost Converter）：輸出電壓 (V_{DD}) 范圍為 12.8V - 19V（6 位可編程），采用電流模式拓撲，固定頻率為 600kHz。例如在實際應用中，若需要一個較高的穩(wěn)定電壓為特定電路供電，它就能很好地滿足需求。內(nèi)部集成了輸入 - 輸出隔離開關，可有效防止過壓和短路等情況對電路造成損害。當輸出短路到地時，若 SWO 引腳電壓下降，轉(zhuǎn)換器會自動關閉并斷開輸入 - 輸出隔離，待故障排除后又能恢復工作。
2. 降壓轉(zhuǎn)換器
   • Buck 1 轉(zhuǎn)換器（(V_{cc})）：輸出電壓范圍為 3.0V - 3.7V（3 位可編程），非同步型電流模式控制，固定頻率 600kHz。在輕載時會采用跳周期模式來調(diào)節(jié)輸出電壓，以滿足最小導通時間要求，不過此時輸出電壓紋波可能會稍高。當輸出電壓 (V_{CC}) 低于一定閾值時，會限制開關頻率，避免短路時電感失控，同時有助于平滑啟動過程。
   • Buck 2 與 Buck 4 轉(zhuǎn)換器（(V{CORE}) & (V{EPI})）：同步降壓轉(zhuǎn)換器，采用獨特的滯環(huán) PWM 控制器方案，開關頻率可超過 3MHz，能提供出色的瞬態(tài)和交流負載調(diào)節(jié)性能。輸出電壓可低至 0.9V，適合支持最新的時序控制器和面板接口。Buck 4 轉(zhuǎn)換器在啟動時會跟蹤 Buck 1 轉(zhuǎn)換器的輸出電壓，而 Buck 2 轉(zhuǎn)換器在 Buck 1 和 Buck 4 達到電源正常信號后才開始工作。
   • Buck 3 轉(zhuǎn)換器（(HV_{DD})）：同步降壓轉(zhuǎn)換器，PWM 能夠吸收和提供高達 500mA 的電流。啟動時，其輸出電壓會按比例跟蹤升壓轉(zhuǎn)換器的輸出電壓。同時具備保護功能，當出現(xiàn)短路或過壓情況時，會與升壓轉(zhuǎn)換器一同關閉，故障排除后自動恢復。

（二）電荷泵模塊

1. 正電荷泵控制器（(V_{GH})）：輸出電壓在低溫下范圍為 19V - 34V（4 位可編程），高溫下為 17V - 32V（4 位可編程），并具有溫度補償功能。通過連接外部負溫度系數(shù)熱敏電阻（NTC），可根據(jù)溫度調(diào)節(jié)輸出電壓。例如在不同環(huán)境溫度下，能確保為電路提供穩(wěn)定合適的電壓。當檢測到輸出短路（電壓低于 1V）時，會限制 CTRLP 引腳的基極電流，同時升壓轉(zhuǎn)換器的開關活動也會暫停，直到 (V_{GH}) 高于 1V 恢復正常。
2. 負電荷泵（(V_{GL})）：輸出電壓范圍為 -1.8V - -8.1V（6 位可編程）。同樣具備短路保護功能，當 (V_{GL}) 保持高于 -0.7V 時，會檢測到短路情況并限制基極電流。

（三）其他特性

1. 6 通道伽馬緩沖器：3 通道輸出范圍為 (V{DD} - HV{DD})（9 位可編程），另外 3 通道為 (HV_{DD} - GND)（9 位可編程），可作為源驅(qū)動器 IC 的電壓參考。每個通道能夠提供 10mA 的直流輸出電流（最小保證值），但輸出通道不適合驅(qū)動大于 150pF 的高容性負載，應直接連接到源驅(qū)動器 IC。
2. (V_{COM}) 參考和增益：9 位 (V{COM}) 參考，2 位 (V{COM}) 增益，支持可選的動態(tài)增益。可通過兩線接口設置非反相 Vcom 電壓 (V_{POS}) 和 Vcom 增益，增益選項包括固定增益（緩沖模式、 -1x、 -2x、 -3x）和動態(tài)增益（ -2x、 -4x）。
3. 可編程功能：具備復位信號，其延時時間可編程；電源啟動順序延時也可編程，DLY1、DLY2 和 DLY3 可按 5ms 步進設置，最大為 35ms；還具有熱關斷保護功能，當結(jié)溫上升到一定程度（如 138°C）時，會自動關斷，結(jié)溫下降后（滯后 8°C）恢復工作。

三、應用領域

由于其豐富的功能和良好的性能，TPS65178/TPS65178A 廣泛應用于 LCD TV 和 LCD 顯示器等領域。在這些應用中，它能為面板提供穩(wěn)定、精準的電源，確保顯示效果的高質(zhì)量。

四、設計要點

（一）各轉(zhuǎn)換器設計

1. 升壓轉(zhuǎn)換器設計
   • 電感選擇：電感飽和電流要能處理最大峰值電流（(I_{LSAT } > I{SWPEAK }) 或 (I_{LSAT } > I{LIM_max })），直流電阻（DCR）越低越好，推薦電感值范圍為 (10 mu H ≤L ≤22 mu H)，且該轉(zhuǎn)換器針對 10μH 電感進行了優(yōu)化。例如，Sumida 的 CDRH8D43NP - 100N（10μH）和 CD105NP - 100M（22μH）都是不錯的選擇。
   • 整流二極管選擇：建議使用肖特基二極管，反向電壓 (V{R}) 要能阻斷 (V{ovp}) 電壓（推薦 20V），平均整流正向電流 (I_{F}) 要能處理輸出電流（保守推薦 2A），同時要考慮其散熱特性。像 MBRS320、SL22 等都是合適的二極管型號。
   • 補償設計：通過調(diào)整連接到 COMP 引腳的外部組件來補償調(diào)節(jié)環(huán)路。對于大多數(shù)應用，可先使用 (R{COMP } = 33 k Omega) 和 (C{COMP} = 1 nF)，若使用 22uH 電感，推薦 (R{COMP } = 22 k Omega) 和 (C{COMP}=1 nF)。
2. 降壓轉(zhuǎn)換器設計
   • Buck 1 轉(zhuǎn)換器：設計步驟包括計算占空比、電感紋波電流、最大輸出電流和峰值開關電流等。電感和整流二極管的選擇可參考升壓轉(zhuǎn)換器部分。
   • Buck 2 和 Buck 4 轉(zhuǎn)換器：由于采用了獨特的控制方案，可使用小型電感（范圍為 1.0 (mu H ≤L ≤2.2 mu H)，優(yōu)化值為 2.2uH）和陶瓷電容。例如 Murata 的 LQM21PN2R2（2.2μH）和 FDK 的 MPSZ2012D2R2（2.2μH）都是可選的電感型號。輸入電容需選用低 ESR 電容，以減少輸入電壓尖峰對其他電路的干擾；輸出電容推薦使用低 ESR 陶瓷電容，以降低輸出電壓紋波。
   • Buck 3 轉(zhuǎn)換器：同樣要計算占空比、電感紋波電流等參數(shù)。電感推薦范圍為 4.7μH - 10μH，優(yōu)化值為 6.8μH。輸入和輸出電容一般選用 10μF 的陶瓷電容。

（二）電荷泵設計

1. 正電荷泵
   • 二極管選擇：小信號二極管適用于大多數(shù)低電流應用（< 50mA），高功率應用則需選用更高額定值的二極管。二極管的平均電流等于輸出電流，反向電壓額定值應等于 (2 ×V_{D D})。
   • 電容選擇：飛行電容范圍為 100nF - 1μF，較大的值可實現(xiàn)更高的輸出電壓和/或電流，但物理尺寸可能較大且成本較高；存儲電容推薦使用低 ESR 陶瓷電容，范圍為 1μF - 10μF。若晶體管置于輸入側(cè)，需一個 100nF - 1μF 的集電極電容；置于輸出側(cè)，則需一個 1μF - 10μF 的發(fā)射極電容。
   • 晶體管選擇：用于調(diào)節(jié) (V{GH}) 的 PNP 晶體管的直流增益（(h{FE})）在集電極電流等于電荷泵輸出電流時應至少為 100，且能承受集電極 - 發(fā)射極間高達 (2 ×V{D D}) 的電壓。同時，要確保晶體管能有效散熱，其耗散功率可通過公式 (P{Q}=left[left(2 × V{D D}right)-left(2 × V{F}right)-V{G H}right] × I{G H}) 計算。
2. 負電荷泵：二極管、電容和晶體管的選擇原則與正電荷泵類似。例如，用于調(diào)節(jié) (V{GL}) 的 NPN 晶體管的直流增益（(h{FE})）在集電極電流等于電荷泵輸出電流時應至少為 100，且能承受集電極 - 發(fā)射極間高達 (V{IN }) 的電壓，其耗散功率計算公式為 (P{Q}=left[V{IN}-left(2 × V{F}right)-left|V{GL}right|right] × I{GL})。

（三）PCB 布局建議

1. 對于 Buck 2 和 Buck 4 轉(zhuǎn)換器，在 OUT1 引腳（4）上盡可能靠近 IC 放置一個至少 1μF 的去耦電容，有助于穩(wěn)定滯環(huán)轉(zhuǎn)換器的開關波形。
2. 對于高 dv/dt 信號（開關引腳走線），應盡量減少銅面積，防止與其他走線或接地層形成無意的平行板電容，最好在同一層布線信號和返回線。
3. 對于高 di/dt 信號，走線要短、寬且間距小，以減少雜散電感，降低電流環(huán)路面積，防止電磁干擾（EMI）。
4. 盡可能避免使用過孔，因為過孔具有較高的電感和電阻。若必須使用，應并聯(lián)多個過孔以減少寄生參數(shù)，特別是對于電源線。
5. 輸入電容要靠近 IC，采用低電感走線。開關節(jié)點和二極管之間的銅走線要盡可能短而寬。采用單點接地方式，所有 AGND 和 PGND 引腳都要連接到電源焊盤。將模擬信號路徑與功率路徑隔離，開關節(jié)點引腳到電感的走線要短，以減少 EMI 輻射和噪聲耦合。輸出電壓反饋采樣應直接在輸出電容處進行，并做好屏蔽。

（四）I2C 接口

TPS65178/A 通過行業(yè)標準的兩線 I2C 接口進行通信，支持標準模式（100kbps）和快速模式（400kbps）。該芯片集成了非易失性存儲器（EEPROM），可存儲 DAC 值，最多支持 1000 次編程周期。通過 I2C 接口，可對各電源軌的輸出電壓、延時時間、增益等參數(shù)進行編程設置。具體的寄存器映射和數(shù)據(jù)傳輸格式在文檔中有詳細說明，工程師在設計時需參考這些信息進行配置。

五、總結(jié)

TPS65178/TPS65178A 憑借其豐富的功能、出色的性能和靈活的可編程特性，為 LCD 偏置電源設計提供了一個優(yōu)秀的解決方案。在實際應用中，電子工程師需要根據(jù)具體的設計需求，合理選擇各組件的參數(shù)，并注意 PCB 布局和 I2C 接口的配置，以充分發(fā)揮該芯片的優(yōu)勢，實現(xiàn)穩(wěn)定、高效的電源管理。大家在使用過程中遇到過哪些問題呢？歡迎在評論區(qū)分享交流。