深入剖析TPS61187：笔记本WLED驱动的高效解决方案

在电子设备的世界里，显示屏的背光质量直接影响着用户的视觉体验。对于笔记本电脑而言，一款优秀的白色发光二极管（WLED）驱动芯片至关重要。今天，我们就来深入探究德州仪器（TI）推出的TPS61187 WLED驱动芯片，看看它是如何为笔记本LCD背光源提供高效、可靠的解决方案的。

文件下载：tps61187.pdf

一、产品概述

TPS61187是一款专门为笔记本LCD背光源设计的高度集成的WLED驱动芯片。与传统的冷阴极荧光灯（CCFL）背光源相比，WLED具有更高的功率效率和更低的外形设计优势。该芯片集成了关键功能模块，能够为多达60个WLED提供电源和控制，包括一个40V、2A的升压调节器、六个30mA的电流沉调节器，以及针对过流、过压、LED开路、LED短路和输出短路故障的保护电路。

二、产品特性亮点

1. 宽输入输出电压范围

• 输入电压：4.5V至24V，能够适应多种电源环境。
• 最大输出电压：38V，可满足大多数WLED的驱动需求。

2. 集成高效MOSFET与可编程开关频率

• 集成2A、40V的MOSFET，升压转换器可提供高达38V的输出电压。
• 开关频率可在300kHz至1MHz之间可编程，计算公式为 (F{SW}=frac{5 × 10^{11}}{R{FSLCT}})，用户可根据实际需求灵活选择，以平衡效率和电感尺寸。

3. 自适应升压输出与宽PWM调光频率范围

• 升压输出可自动调整至WLED的正向电压，优化效率。
• 直接PWM模式下，PWM调光频率范围为100Hz至50kHz；频率可编程模式下，范围为100Hz至22kHz。
• 在20kHz时调光比为100:1，200Hz时（直接PWM模式）调光比可达10000:1，能够实现细腻的亮度调节。

4. 小尺寸外部组件与集成环路补偿

• 仅需少量外部组件，简化了电路设计。
• 集成环路补偿，确保在全输入和输出电压范围内输出稳定。

5. 高精度电流调节与匹配

• 六个电流沉调节器，最大输出电流为30mA，在20mA电流下精度可达±2%，串间差异典型值为±1.5%。

6. 多种调光模式与保护功能

• 支持自动相移PWM调光和直接PWM调光两种模式，可通过RFPWM/MODE引脚进行选择。
• 具备HBM ESD保护（4kV）、可编程过压阈值、内置WLED开路/短路保护和热关断功能，保障芯片的可靠性和稳定性。

三、引脚配置与功能

TPS61187采用20引脚的QFN封装，各引脚功能明确，以下是部分关键引脚的介绍：

• VDDIO：内部预调节器输出，需连接1µF陶瓷电容，为芯片的模拟和逻辑电路供电。
• EN：使能引脚，控制芯片的开启和关闭。
• FSLCT：开关频率选择引脚，通过连接电阻可设置300kHz至1MHz的开关频率。
• ISET：全量程LED电流设置引脚，通过连接电阻可编程电流水平。
• PWM：PWM信号输入引脚，用于控制LED的亮度。

四、工作模式与调光控制

1. 亮度调光控制

• 自动相移PWM调光：内部解码器从输入PWM信号中提取占空比信息，存储在8位寄存器中，并传递给输出PWM调光控制电路，使六个输出电流沉以RFPWM设置的PWM频率和从解码器块获取的占空比进行开关操作。
• 直接PWM调光：每个电流沉与输入PWM信号以相同的频率和占空比进行开关操作。

2. 可调PWM调光频率与模式选择

• 通过RFPWM/MODE引脚可选择自动相移模式或直接PWM模式。连接电阻到RFPWM/MODE引脚可进入自动相移模式，电阻值决定PWM调光频率，计算公式为 (F{DIM }=frac{1.818 × 10^{8}}{R{FPWM }})；将RFPWM/MODE引脚连接到VDDIO则强制进入直接PWM模式。

五、保护功能

1. 过压钳位与电压反馈

通过OVC/FB引脚实现过压钳位和电压反馈功能。当检测到OVC引脚电压超过1.95V（典型值）时，OVC电路将输出电压钳位到设定的阈值。

2. 电流沉开路保护

当检测到某个WLED串开路时，芯片会自动检测并禁用该串，将其从电压反馈环路中移除，输出电压下降并调节至连接的WLED串所需的最小电压，其余WLED串的电流调节不受影响。

3. 过流和短路保护

芯片具有逐脉冲过流限制（最小2A），当电感电流达到阈值时，PWM开关关闭，直到下一个开关周期开始。在持续过流或短路情况下，芯片会关闭，需要电源复位或EN引脚切换才能重启。

4. 热保护

当芯片的结温超过150°C时，热保护电路触发，立即关闭芯片，同样需要电源复位或EN引脚切换才能清除保护并重启。

六、应用与设计要点

1. 典型应用

TPS61187适用于平板电脑、笔记本电脑、显示器等多种设备的LED照明解决方案，可驱动6串10个串联的LED，提供紧凑高效的设计。

2. 设计要求与参数

• 输入电压：4V至24V
• 输出电压：最大38V
• LED串电流：最大30mA
• 开关频率：280kHz至1MHz

3. 关键组件选择

• 电感选择：电感值范围为10µH至47µH，需考虑电感值、直流电阻（DCR）和饱和电流等参数。电感值的选择会影响电源的稳态运行、瞬态响应和环路稳定性。
• 输出电容选择：主要根据输出纹波和环路稳定性要求选择，可通过公式 (Cout =frac{( Vout - Vin ) × lout }{ Vout × F_{S} × Vripple }) 计算最小电容值。
• 隔离FET选择：芯片提供外部P沟道MOSFET的栅极驱动，可在设备关闭或故障时关闭MOSFET，保护电池免受输出短路影响。建议选择耐压30V、导通电阻小于100mΩ的MOSFET。

4. 布局注意事项

• 对于开关电源而言，布局至关重要。应使用宽而短的走线用于高电流路径，输入电容要靠近VIN和GND引脚，以减少输入纹波。
• C2作为内部线性调节器的滤波和去耦电容，应尽可能靠近VDDIO和AGND引脚。
• SW引脚承载高电流且边沿变化快，与电感和肖特基二极管的连接应尽可能短而宽。
• 信号地和功率地应分开布线，并在单点连接，例如在散热焊盘处。散热焊盘应焊接到PCB上并连接到芯片的GND引脚，可通过额外的散热过孔提高芯片的散热性能。

七、总结

TPS61187以其丰富的功能、高效的性能和可靠的保护机制，为笔记本LCD背光源提供了一个优秀的解决方案。电子工程师在设计过程中，可根据具体需求合理选择芯片的工作模式和外部组件，同时注意布局要点，以确保系统的稳定性和可靠性。你在使用类似芯片时遇到过哪些问题？又是如何解决的呢？欢迎在评论区分享你的经验。