深入解析TPS60230：高效的白光LED电荷泵电流源

在电子设备的设计中，白光LED的应用越来越广泛，如手机、智能手表等设备的显示屏背光。而TPS60230作为一款专门为白光LED供电优化的电荷泵电流源，在这一领域发挥着重要的作用。今天，我们就来深入了解一下这款芯片。

文件下载：tps60230.pdf

芯片概述

TPS60230是德州仪器（Texas Instruments）推出的一款具有PWM亮度控制功能的白光LED电荷泵电流源。它具有诸多出色的特性，适用于多种应用场景。

主要特性

• 精准的电流匹配：输出电流调节精度高，匹配度可达0.4%，能确保多个LED的亮度一致。
• 强大的驱动能力：可同时驱动多达5个LED，每个LED的驱动电流最高可达25mA。
• 灵活的亮度控制：通过PWM控制信号实现LED亮度的灵活调节，满足不同的显示需求。
• 高效的电源转换：采用1x和1.5x分数转换模式，在不同的输入电压下都能保持较高的效率。
• 低纹波与低EMI：内部软启动功能限制了浪涌电流，减少了输入纹波和电磁干扰（EMI）。
• 全面的保护功能：具备过流、过温保护以及带迟滞的欠压锁定功能，保障芯片的稳定运行。
• 小巧的封装形式：采用超小的3mm x 3mm QFN封装，节省了电路板空间。

应用场景

TPS60230广泛应用于各种需要白光LED背光的设备，如手机、智能手机、个人数字助理（PDA）、手持电脑、数码相机和摄像机等的彩色显示屏背光，以及按键背光等。

工作原理

TPS60230采用了分数转换电荷泵来为集成的电流源生成电源电压。这些电流源用于确保每个LED的电流恒定。根据输入电压和编程的LED电流，电荷泵可以自动在1x模式和1.5x模式之间切换，以优化电源转换效率，并延长电池的使用时间。

电流调节

通过在ISET引脚连接一个电阻来设置最大LED电流。这个电阻会编程一个参考电流，该电流通过电流镜来设置LED电流。通常情况下，每个LED的电流是ISET引脚电阻电流的260倍。

亮度控制

通过向EN1引脚和/或EN2引脚施加PWM信号来控制LED的亮度。此外，也可以通过向ISET引脚输入一个模拟控制信号来实现亮度控制。

软启动功能

芯片内部设有软启动电路，用于限制启动时的浪涌电流。当输出电压低于输入电压时，输出电容通过电流源直接从输入充电，输出电流线性增加，直到输出电压接近输入电压300mV。当1x模式能够达到编程的输出电流时，芯片结束软启动并进入正常工作模式；否则，电荷泵将进入1.5x模式，将输出电压提升到所需水平。

使能控制

EN1和EN2引脚用于使能芯片或使其进入关机状态。当其中一个引脚的电压高于1.3V的使能阈值时，芯片启动并执行软启动程序；当两个引脚都拉低到GND时，经过一段时间的延迟后，芯片进入关机状态，此时电荷泵、电流源、电压基准、振荡器和其他所有功能都将关闭，电源电流降至0.1µA。此外，EN1和EN2引脚还可以用于调光，通过设置不同的逻辑电平来控制LED的电流。

电气特性

电压与电流参数

• 输入电压范围：2.7V至6.5V，适用于单节锂离子电池或3 - 4节镍镉、镍氢或碱性电池供电的应用。
• 工作静态电流：在不同的工作模式下，静态电流有所不同。例如，在x1模式下，当V I = 4.2V，EN1 = EN2 = 1，ISET = 20µA时，典型值为200µA；在x1.5模式下，当I O = 0 mA时，典型值为2.1mA。
• 关机电流：当EN2 = EN1 = GND时，关机电流典型值为0.1µA，最大值为1µA。

电荷泵特性

• 过压限制：当LED1未连接，V I = 4.2V时，输出过压限制典型值为5.5V。
• 启动时间：当C O = 1µF，I DX ≥ 0.9 I DX，set时，启动时间典型值为375µs。
• 软启动持续时间：典型值为160µs。
• 开关频率：开关频率范围为0.75MHz至1.25MHz，典型值为1MHz。

电流源特性

• 推荐最大电流：在3.2V ≤ V I ≤ 6.5V的条件下，每个电流源的推荐最大电流为25mA。
• 短路电流：当Iset引脚短路到GND，且3.0V ≤ V I ≤ 6.5V时，每个电流源的电流为50mA。
• 电流匹配度：在V Dx = 3.1V，T A = 25°C的条件下，任意两个输出之间的电流匹配度在 - 2%至2%之间，典型值为0.4%。

设计要点

电容选择

推荐使用X5R或X7R等陶瓷电容。对于两个飞电容C1和C2，应使用低ESR电容，以避免不必要的效率损失。在VOUT引脚使用低ESR电容可以降低电流源供电的纹波电压。

在选择电容时，除了考虑上述低ESR和陶瓷材质等因素外，还需要综合多方面因素。从使用频率来看，由于TPS60230开关频率为1MHz，属于较高频率，叠层陶瓷电容器是比较合适的选择，因为不同类型电容器频率性能差别大，若工作频率过高或过低，电容器的基本容量和阻抗特性会发生很大变化，可能导致电路信号特点不能达到设计要求。

从环境温度变化方面考虑，如果应用场景环境温度变化幅度较大，如室外工作的电子设备，就需要选择在宽温度范围内电容器容量和阻抗及漏电流变化最小的电容器。在各类电容器中，固体钽电容器温度特性较好，但结合成本和实际情况，X5R或X7R陶瓷电容也能在一定程度上满足要求。

根据输入和输出功率大小，当TPS60230应用于输入和输出功率较高的电路中时，电容不光需要有更低的ESR，还必须具有非常低的漏导电流，否则会导致击穿概率增加和输出的功率波形不能满足要求。并且由于不同电容器自身阻抗不同，在输入和输出功率较大时，要考虑该电容器自身电阻导致的温度升高幅度和自身散热能力的平衡问题。

在电路板体积和安装面积方面，由于TPS60230采用超小的3mm x 3mm QFN封装，为了配合整体的小型化设计，应使用片式化的能量密度较高的电容器。片式化不仅提高了电容器的体积容量比，还降低了电容器的电感，而较低的等效串联感抗（ESL）和等效串联电阻（ESR）是决定电容器频率特性好坏的决定性参数。

功率效率与功耗计算

• 功率效率：TPS60230的功率转换效率可以通过将每个LED的电流和电压的乘积相加，再除以输入电压和电流的乘积来计算。在电池充满电时，输入电压通常高于LED的正向电压，电荷泵工作在1x模式，效率非常高；随着电池放电，当电流源无法提供足够的电压来维持恒定电流调节时，电荷泵会切换到1.5x模式，此时转换效率在切换点处最低；随着电池进一步放电，效率会再次增加，直到输入电压约为3.1V时达到第二个最大值。当输入电压低于3.1V时，每个LED的最大电流小于25mA。 从搜索结果中虽未直接获取提高TPS60230功率效率的方法，但结合芯片本身特性和电子设计经验，我们可以从以下方面来提高其功率效率。首先，在电容选择上，确保使用低ESR的飞电容C1和C2，这能减少不必要的能量损耗，从而提高效率。低ESR的输出电容也可降低电流源供电的纹波电压，有助于提升整体效率。

其次，合理利用芯片的1x和1.5x模式切换功能。在电池充满电，输入电压高于LED正向电压时，让电荷泵工作在1x模式，此模式下效率较高。随着电池放电，当电流源无法维持恒定电流调节时，自动切换到1.5x模式，不过要注意在切换点处效率会降低，可通过优化电路设计和参数设置，尽量减少在切换点附近的工作时间。

再者，优化LED的连接方式和电流设置。根据实际需求，合理设置每个LED的电流，避免过大或过小的电流导致效率降低。同时，确保LED的连接方式正确，减少线路损耗。

另外，在散热设计方面，良好的散热能保证芯片在适宜的温度下工作，避免因温度过高导致效率下降。可以通过合理的PCB布局，将芯片的散热焊盘与电路板充分焊接，以提高散热效率。大家在实际应用中，有没有尝试过这些方法来提高功率效率呢？

• 功率功耗：TPS60230内部的最大功耗可以根据公式 (P{D max }=[(1.5 × V{1}) - V{O} + 0.4 V] × I{O}) 来计算。最大功耗通常发生在输入电压刚好能使芯片工作在1.5x模式，且白色LED的正向电压达到最大值时。例如，当 (V{1}=4.2 V) ，正向电压为3.6V时。同时，需要确保这个最大功耗低于封装允许的最大功耗，封装允许的最大功耗可以通过公式 (P{D max, package }=frac{T{Jmax } - T{A}}{T_{theta j a}}) 计算。

应用案例

并联电阻应用

当需要超过25mA的输出电流时，可以将电流源的输入引脚并联。这种方法还可以用于连接只有两个引脚的LC显示屏的白光LED。

模拟调光应用

ISET引脚可以连接一个0mV至600mV的模拟直流信号（EN1 = EN2 = 1），用于对白光LED进行模拟调光。当ISET引脚输入电压为0V时，电流最大；当输入电压为600mV时，LED电流为零。

混合LED应用

TPS60230可以为任何类型的LED供电，也可以将白光LED与正向电压较低的彩色LED混合使用。需要将正向电压最高的LED（通常是白光LED）连接到D1引脚，因为电荷泵的输出电压是通过调节D1引脚的电压来控制的。

闪光灯应用

该芯片还可以用于为一个或多个白光LED提供闪光灯电源。在这种应用中，通常需要在短时间内提供一定的电流。当芯片不是连续开启时，可以支持150mA的输出电流。

总结

TPS60230是一款功能强大、性能出色的白光LED电荷泵电流源芯片。它具有高效的电源转换、灵活的亮度控制、全面的保护功能和小巧的封装等优点，适用于各种白光LED背光应用。在设计过程中，需要根据具体的应用需求合理选择电容、设置电流和电压参数，并注意芯片的散热和布局，以确保芯片的稳定运行和最佳性能。你在使用TPS60230芯片的过程中遇到过哪些问题呢？又是如何解决的呢？欢迎在评论区分享你的经验和见解。