德州仪器TPS61150A：双输出升压WLED驱动器的卓越之选

在电子设备的设计中，WLED驱动器是一个关键组件，特别是在需要为显示屏提供背光的应用场景中。德州仪器（TI）的TPS61150A双输出升压WLED驱动器，凭借其出色的性能和丰富的特性，成为了众多工程师的首选。今天，我们就来深入了解一下这款驱动器。

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一、TPS61150A的特性亮点

工作范围与性能

• 输入电压范围：2.5V至6V的输入电压范围，使其能够适应多种电源环境，为不同的应用场景提供了广泛的适用性。
• 集成开关与二极管：内置0.7A集成开关和功率二极管，减少了外部元件的使用，简化了电路设计，同时提高了系统的可靠性。
• 固定PWM频率：1.2MHz的固定PWM频率，有效降低了输出纹波，避免了与PFM控制相关的可听噪声，为系统提供了稳定的输出。

功能特性

• 独立可编程输出电流：每个电流输出都可以通过外部电阻进行独立编程，并且有专门的选择引脚，可实现两个输出的单独或同时开启，提供了极大的灵活性。
• 输入输出隔离：确保了输入和输出之间的电气隔离，提高了系统的安全性和稳定性。
• 内置软启动：在启动过程中，电流逐渐上升，避免了电流冲击，保护了设备和WLED。
• 过压保护：27V的过压保护功能，防止输出电压过高对设备造成损坏。
• 电流匹配：在15mA时，两个电流串之间的匹配精度可达3%，相比TPS61150/1有了显著提升。
• 高效性能：最高可达83%的效率，降低了功耗，延长了电池续航时间。
• PWM调光频率：高达30kHz的PWM调光频率，可实现精确的亮度调节。
• 封装形式：采用10引脚、3×3mm的QFN封装，体积小巧，适合空间受限的应用。

二、应用场景广泛

显示屏背光

• 媒体格式显示屏：可驱动多达14个WLED，为大型媒体显示屏提供均匀、明亮的背光。
• 翻盖手机：适用于翻盖手机的副屏和主屏背光，满足不同屏幕的亮度需求。
• 便携式设备：为便携式设备的显示屏和键盘提供背光，提升用户体验。

三、技术细节剖析

电流调节

TPS61150A采用单个升压调节器驱动2个WLED串，电流可独立编程。通过反馈回路将IFB引脚调节到阈值电压（典型值330mV），确保电流源电路有足够的工作裕量。调节电流由Iset引脚的电阻决定，公式为： [I{O}=frac{V{ISET }}{R{SET }} × K{ISET }] 其中，(I{O})为输出电流，(V{ISET})为Iset引脚电压（典型值1.229V），(R{SET})为Iset引脚电阻值，(K{ISET})为电流乘数（典型值920）。

启动过程

在启动时，升压转换器和电流源电路同时建立稳态。电流源电路以16步的方式逐步增加电流，每步需要64个时钟周期，确保电流源回路在启动期间比升压转换器响应慢，从而实现平稳启动，减少浪涌电流。

保护功能

• 过压保护：当输出电压超过OVP阈值（典型值28V）时，过压保护电路会停止升压转换器的开关动作，防止输出电压失控。当电压降至OVP阈值以下时，转换器恢复开关。
• 欠压锁定：当输入电压低于1.65V（典型值）时，欠压锁定功能会使设备保持关闭状态，同时关闭升压转换器和电流源电路，实现输入和输出之间的隔离，防止设备误操作。
• 热关断：当芯片的典型结温超过160°C时，内部热关断功能会关闭IC，热关断具有15°C的滞后特性，确保系统在高温环境下的安全性。

使能与调光

• 使能控制：将SEL1或SEL2引脚拉低可关闭相应的输出。如果两个引脚都拉低超过40ms，IC将关闭，此时功耗小于2µA（室温）。
• PWM调光：SEL引脚可用于PWM亮度调光。为提高PWM调光的线性度，如果两个相邻SELx脉冲的下降沿和上升沿之间的时间小于40ms，软启动功能将被禁用。

四、应用设计要点

最大输出电流计算

最大输出电流受到多种因素的影响，包括过流限制、输入电压、输出电压和效率等。计算公式如下： [P=frac{1}{left[L timesleft(frac{1}{ Viout +V f-Vin }+frac{1}{V i n}right) × F sright]}] [I{out_max}=frac{Vin timesleft(I{lim} -frac{I{p}}{2}right) × eta}{ Vout }] 其中，(I{p})为电感峰峰值纹波，(L)为电感值，(V{f})为功率二极管正向电压，(F{s})为开关频率，(V{iout})为升压输出电压，(I{lim})为过流限制，(eta)为效率。

WLED亮度调光

• 并联电阻调光：通过在ISET引脚电阻上并联一个额外的电阻，改变ISET引脚电阻值，从而调节输出电流。这种方法简单，但调光步数有限。
• PWM调光：在SEL引脚施加PWM调光信号，通过信号的占空比调制输出电流。逻辑高电平开启电流源电路，逻辑低电平关闭。为避免WLED闪烁，PWM信号频率要足够高。TPS61150A通过在SEL引脚为低电平时断开WLED与输出电容的连接，减少了PWM调光期间的电压纹波，降低了可听噪声。最大PWM调光频率由电流建立时间(t{isink})决定，计算公式为： [F{PWM_MAX }=frac{D{min }}{T{isink }}]
• 模拟调光：使用外部直流电压和电阻改变ISET引脚电流，从而控制输出电流。直流电压可以是滤波后的PWM信号。

电感选择

电感是电源调节器设计中最重要的组件，其电感值、直流电阻和饱和电流对性能影响较大。一般建议将峰峰值纹波电流设置为直流电流的30 - 40%，以平衡功率损耗和电感尺寸。对于TPS61150A，推荐使用10µH的电感。电感直流电流可通过以下公式计算： [L{DC}=frac{V{iout } × I{out }}{V{in } × eta}] 同时，要考虑电感的直流电阻（DCR）对效率的影响，不同应用场景对DCR的要求不同。

输入和输出电容选择

输出电容主要用于控制转换器的输出纹波。假设电容的等效串联电阻（ESR）为零，可根据以下公式计算给定纹波所需的最小电容： [C{out }=frac{left(V{iout }-V{in }right) I{out }}{V{iout } × F s × V{ripple }}] 对于陶瓷电容，由于其ESR较低，可忽略ESR引起的额外输出纹波。但在使用钽电容或电解电容时，必须考虑ESR的影响。

布局考虑

布局是开关电源设计的重要环节，对于高电流、高开关频率的电源尤其如此。为减少输入纹波，输入电容应靠近VIN和GND引脚；电感应靠近IC；输出电容应靠近负载，以最小化纹波并提高瞬态性能。信号地和功率地应使用短走线分开，并在单点连接。

五、总结

德州仪器的TPS61150A双输出升压WLED驱动器以其丰富的特性、广泛的应用场景和出色的性能，为电子工程师提供了一个优秀的解决方案。在设计过程中，合理选择外部元件、优化布局，能够充分发挥其优势，实现高效、稳定的WLED驱动。你在使用这款驱动器的过程中遇到过哪些问题？又是如何解决的呢？欢迎在评论区分享你的经验。