TPS65150：LCD顯示的高效電源解決方案

在電子工程師的日常工作中，為LCD顯示器設(shè)計(jì)合適的電源解決方案是一項(xiàng)關(guān)鍵任務(wù)。今天，我們來深入探討德州儀器（TI）的TPS65150，這是一款專為LCD顯示設(shè)計(jì)的低輸入電壓、緊湊型LCD偏置IC，帶有VCOM緩沖器，能提供出色的性能和豐富的功能。

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1. 關(guān)鍵特性概覽

1.1 寬輸入電壓范圍與集成功能

TPS65150的輸入電壓范圍為1.8V至6V，這使得它可以適應(yīng)多種電源場景，無論是由2.5V或3.3V輸入軌供電的筆記本電腦，還是使用5V輸入電壓軌的顯示器應(yīng)用。它集成了VCOM緩沖器，能夠?yàn)?a target="_blank">TFT背板提供VCOM電壓，同時(shí)還具備高壓開關(guān)，可隔離 (V(VGH))，并實(shí)現(xiàn) (V(VGH)) 的門電壓整形功能。

1.2 高性能輸出與技術(shù)優(yōu)勢

其內(nèi)部集成了2A的MOSFET開關(guān)，主輸出 (V{(VS)}) 最高可達(dá)15V，輸出電壓精度小于1%。采用虛擬同步轉(zhuǎn)換器技術(shù)，確保在輕負(fù)載下也能穩(wěn)定工作。同時(shí)，它還配備了穩(wěn)壓負(fù)電荷泵驅(qū)動(dòng)器 (V(VGL)) 和穩(wěn)壓正電荷泵驅(qū)動(dòng)器 (V{(CPI)}) ，為TFT提供正 (V(VGH)) 和負(fù) (V_{(VGL)}) 偏置電壓。

1.3 靈活的控制與保護(hù)機(jī)制

該器件支持可調(diào)節(jié)的上電排序和故障檢測時(shí)序，還提供外部隔離MOSFET的柵極驅(qū)動(dòng)信號。具備欠壓鎖定（UVLO）、過壓保護(hù)、熱關(guān)斷等多種保護(hù)功能，確保在各種異常情況下設(shè)備的安全穩(wěn)定運(yùn)行。此外，它提供HTSSOP - 24和VQFN - 24兩種封裝形式，方便不同的設(shè)計(jì)需求。

2. 豐富的應(yīng)用領(lǐng)域

TPS65150適用于多種TFT LCD顯示場景，包括筆記本電腦的TFT LCD顯示器、顯示器的TFT LCD顯示器以及汽車導(dǎo)航顯示器等。其出色的性能和靈活的配置能夠滿足不同應(yīng)用場景對電源的要求。

3. 詳細(xì)工作原理分析

3.1 整體架構(gòu)與功能概述

TPS65150為LCD顯示器提供完整的偏置電源。它不僅能為顯示器中的源驅(qū)動(dòng)器和柵極驅(qū)動(dòng)器IC生成電源電壓，還能生成顯示器的公共平面電壓 (V_{COM})。該器件采用獨(dú)特的設(shè)計(jì)，能夠在低至1.8V的輸入電源電壓下工作，非常適合由固定2.5V、3.3V或5V電源供電或單節(jié)鋰離子電池供電的應(yīng)用。

3.2 各功能模塊詳細(xì)解析

3.2.1 升壓轉(zhuǎn)換器

升壓轉(zhuǎn)換器采用獨(dú)特的快速響應(yīng)電壓模式控制器方案，并帶有輸入前饋，以實(shí)現(xiàn)出色的線性和負(fù)載調(diào)節(jié)能力。它使用虛擬同步拓?fù)?，即使在輕負(fù)載下也能在連續(xù)導(dǎo)通模式（CCM）下工作，簡化了補(bǔ)償設(shè)計(jì)，避免了低負(fù)載時(shí)SW引腳的振鈴問題。其占空比計(jì)算公式為 (D = 1 - frac{eta V{1}}{V{Q}}) ，其中 (eta) 為升壓轉(zhuǎn)換器效率， (V{1}) 為輸入電源電壓， (V{Q}) 為輸出電壓。

3.2.2 負(fù)電荷泵和正電荷泵

負(fù)電荷泵和正電荷泵均以1.2MHz的固定頻率和50%的占空比工作，通過飛跨電容將電荷從SUP引腳轉(zhuǎn)移到輸出端，為TFT提供所需的偏置電壓。它們的輸出電壓可以通過外部電阻進(jìn)行調(diào)節(jié)，以滿足不同的應(yīng)用需求。

3.2.3 上電排序與門電壓整形

上電排序功能通過DLY1和DLY2引腳的電容設(shè)置，確保各部分電路按照設(shè)定的順序啟動(dòng)，避免了啟動(dòng)過程中的不穩(wěn)定問題。門電壓整形功能由CTRL引腳的邏輯信號控制，通過調(diào)節(jié)外部電容 (C_{ADJ}) 的電壓，可減少LCD像素之間的串?dāng)_，提高圖像質(zhì)量。

3.2.4 VCOM緩沖器

VCOM緩沖器是一個(gè)跨導(dǎo)放大器，用于驅(qū)動(dòng)容性負(fù)載。它具有軟啟動(dòng)功能，可降低啟動(dòng)時(shí)從SUP引腳汲取的電流。在不需要VCOM緩沖器的應(yīng)用中，可以通過將IN引腳連接到地來關(guān)閉該功能，以降低整體靜態(tài)電流。

3.3 保護(hù)機(jī)制詳解

TPS65150具備多種保護(hù)功能，確保設(shè)備在異常情況下的安全運(yùn)行。升壓轉(zhuǎn)換器的過壓保護(hù)功能會(huì)監(jiān)測SUP引腳的電壓，當(dāng)輸出電壓超過過壓閾值時(shí)，設(shè)備將進(jìn)入故障模式?？烧{(diào)節(jié)的故障延遲功能通過FDLY引腳的電容設(shè)置，當(dāng)輸出電壓超出調(diào)節(jié)范圍超過設(shè)定時(shí)間時(shí)，設(shè)備將進(jìn)入故障鎖定狀態(tài)，需循環(huán)輸入電源電壓才能恢復(fù)正常。熱關(guān)斷功能在芯片溫度超過155°C時(shí)啟動(dòng)，防止芯片因過熱損壞。

4. 典型應(yīng)用設(shè)計(jì)案例

以一個(gè)由5V電源供電的顯示器為例，詳細(xì)介紹TPS65150的應(yīng)用設(shè)計(jì)過程。

4.1 設(shè)計(jì)要求明確

輸入電源電壓為5V，升壓轉(zhuǎn)換器輸出電壓為13.5V，電流為450mA，正電荷泵輸出電壓為23V，電流為20mA，負(fù)電荷泵輸出電壓為 - 5V，電流為20mA。同時(shí)，要求升壓轉(zhuǎn)換器和電荷泵的輸出電壓紋波符合一定的要求，并設(shè)置合適的上電延遲時(shí)間和故障延遲時(shí)間。

4.2 詳細(xì)設(shè)計(jì)步驟

4.2.1 電感選擇

電感的選擇主要考慮其飽和電流和直流電阻。飽和電流應(yīng)高于計(jì)算得到的峰值開關(guān)電流，并留有一定的余量，以應(yīng)對重負(fù)載瞬變。直流電阻越低，效率越高，但電感的類型和材料也會(huì)影響效率。對于TPS65150，3.3μH至6.8μH的電感是不錯(cuò)的選擇。

4.2.2 整流二極管選擇

整流二極管的反向電壓額定值應(yīng)高于轉(zhuǎn)換器的最大輸出電壓，平均正向電流額定值應(yīng)高于最大輸出電流，重復(fù)峰值正向電流應(yīng)大于或等于峰值開關(guān)電流。

4.2.3 輸出電壓設(shè)置

通過R1/R2電阻分壓器設(shè)置升壓轉(zhuǎn)換器的輸出電壓，計(jì)算公式為 (V{O} = (1 + frac{R1}{R2}) V{ref}) ，其中 (V_{ref}) 為內(nèi)部參考電壓。

4.2.4 電容選擇

輸出電容用于平滑輸出電壓，推薦使用低ESR的陶瓷電容。輸入電容用于濾波，推薦使用低ESR的陶瓷電容，以提高輸入電壓的穩(wěn)定性。

4.2.5 補(bǔ)償設(shè)計(jì)

升壓轉(zhuǎn)換器需要在COMP引腳和地之間連接一個(gè)串聯(lián)的R - C網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行補(bǔ)償。根據(jù)輸入電壓的不同，選擇合適的補(bǔ)償組件。同時(shí)，可以添加前饋電容 (C_{FF}) 來改善瞬態(tài)性能。

4.2.6 電荷泵設(shè)計(jì)

負(fù)電荷泵和正電荷泵的飛跨電容和輸出電容的選擇需要根據(jù)輸出電流和輸出電壓紋波來確定。反饋電阻的選擇需要滿足輸出電壓的要求，并避免對REF引腳造成過大的負(fù)載。

4.2.7 門電壓整形和上電排序設(shè)置

門電壓整形功能通過調(diào)節(jié)電容 (C_{ADJ}) 來設(shè)置斜率。上電排序通過DLY1和DLY2引腳的電容設(shè)置延遲時(shí)間，確保各部分電路按順序啟動(dòng)。

4.2.8 故障延遲設(shè)置

故障延遲時(shí)間通過FDLY引腳的電容設(shè)置，計(jì)算公式為 (t{d(FDLY)} = R{(FDLY)} C{FDLY}) ，其中 (R{(FDLY)}) 為內(nèi)部電阻。

5. 布局與電源供應(yīng)建議

5.1 布局指南

PCB布局對于電源設(shè)計(jì)至關(guān)重要。不正確的布局可能導(dǎo)致轉(zhuǎn)換器不穩(wěn)定、負(fù)載調(diào)節(jié)問題、噪聲和EMI問題。對于TPS65150，建議采用以下布局準(zhǔn)則：

• 升壓轉(zhuǎn)換器的輸出電容、輸入電容和電源地（PGND）應(yīng)形成星形接地或直接連接在公共電源接地平面上。
• 輸入電容應(yīng)直接從輸入引腳（VIN）連接到地。
• 使用粗PCB走線連接SUP到輸出Vs。
• 在SUP引腳和地之間放置一個(gè)小的旁路電容。
• 對于VGH和VGL的電荷泵驅(qū)動(dòng)引腳（DRVN，DRVP），使用短走線，因?yàn)檫@些走線承載開關(guān)電流。
• 電荷泵飛跨電容應(yīng)盡可能靠近DRVP和DRVN引腳，以避免這些引腳出現(xiàn)高壓尖峰。
• 肖特基二極管應(yīng)盡可能靠近器件和與DRVP和DRVN連接的飛跨電容。
• 仔細(xì)布線電荷泵走線，避免與其他電路產(chǎn)生干擾，因?yàn)樗鼈兂休d高壓開關(guān)電流。
• VCOM緩沖器的輸出電容應(yīng)盡可能靠近輸出引腳（VCOM）。
• 熱焊盤必須焊接到PCB上，以確保正確的熱性能。

5.2 電源供應(yīng)建議

TPS65150設(shè)計(jì)為在1.8V至6V的輸入電源下工作。為了實(shí)現(xiàn)設(shè)備的最佳性能，輸入電源應(yīng)穩(wěn)定且無噪聲。如果輸入電源距離設(shè)備超過幾厘米，可能需要額外的大容量電容。數(shù)據(jù)手冊中的應(yīng)用原理圖中所示的輸入電容通常足以滿足典型應(yīng)用的要求。

6. 總結(jié)與思考

TPS65150是一款功能強(qiáng)大、性能出色的LCD偏置IC，為電子工程師提供了一個(gè)高效、靈活的電源解決方案。通過深入了解其特性、工作原理和應(yīng)用設(shè)計(jì)方法，我們可以更好地利用該器件，滿足不同LCD顯示應(yīng)用的需求。在實(shí)際設(shè)計(jì)過程中，我們還需要根據(jù)具體的應(yīng)用場景和要求，仔細(xì)選擇外部組件，合理進(jìn)行PCB布局，以確保設(shè)備的穩(wěn)定性和可靠性。

你在使用TPS65150或者其他類似器件時(shí)，遇到過哪些挑戰(zhàn)呢？你認(rèn)為在電源設(shè)計(jì)中，還有哪些方面需要特別關(guān)注？歡迎在評論區(qū)分享你的經(jīng)驗(yàn)和想法。