TPS65150：LCD显示的高效电源解决方案

在电子工程师的日常工作中，为LCD显示器设计合适的电源解决方案是一项关键任务。今天，我们来深入探讨德州仪器（TI）的TPS65150，这是一款专为LCD显示设计的低输入电压、紧凑型LCD偏置IC，带有VCOM缓冲器，能提供出色的性能和丰富的功能。

文件下载：tps65150.pdf

1. 关键特性概览

1.1 宽输入电压范围与集成功能

TPS65150的输入电压范围为1.8V至6V，这使得它可以适应多种电源场景，无论是由2.5V或3.3V输入轨供电的笔记本电脑，还是使用5V输入电压轨的显示器应用。它集成了VCOM缓冲器，能够为TFT背板提供VCOM电压，同时还具备高压开关，可隔离 (V(VGH))，并实现 (V(VGH)) 的门电压整形功能。

1.2 高性能输出与技术优势

其内部集成了2A的MOSFET开关，主输出 (V{(VS)}) 最高可达15V，输出电压精度小于1%。采用虚拟同步转换器技术，确保在轻负载下也能稳定工作。同时，它还配备了稳压负电荷泵驱动器 (V(VGL)) 和稳压正电荷泵驱动器 (V{(CPI)}) ，为TFT提供正 (V(VGH)) 和负 (V_{(VGL)}) 偏置电压。

1.3 灵活的控制与保护机制

该器件支持可调节的上电排序和故障检测时序，还提供外部隔离MOSFET的栅极驱动信号。具备欠压锁定（UVLO）、过压保护、热关断等多种保护功能，确保在各种异常情况下设备的安全稳定运行。此外，它提供HTSSOP - 24和VQFN - 24两种封装形式，方便不同的设计需求。

2. 丰富的应用领域

TPS65150适用于多种TFT LCD显示场景，包括笔记本电脑的TFT LCD显示器、显示器的TFT LCD显示器以及汽车导航显示器等。其出色的性能和灵活的配置能够满足不同应用场景对电源的要求。

3. 详细工作原理分析

3.1 整体架构与功能概述

TPS65150为LCD显示器提供完整的偏置电源。它不仅能为显示器中的源驱动器和栅极驱动器IC生成电源电压，还能生成显示器的公共平面电压 (V_{COM})。该器件采用独特的设计，能够在低至1.8V的输入电源电压下工作，非常适合由固定2.5V、3.3V或5V电源供电或单节锂离子电池供电的应用。

3.2 各功能模块详细解析

3.2.1 升压转换器

升压转换器采用独特的快速响应电压模式控制器方案，并带有输入前馈，以实现出色的线性和负载调节能力。它使用虚拟同步拓扑，即使在轻负载下也能在连续导通模式（CCM）下工作，简化了补偿设计，避免了低负载时SW引脚的振铃问题。其占空比计算公式为 (D = 1 - frac{eta V{1}}{V{Q}}) ，其中 (eta) 为升压转换器效率， (V{1}) 为输入电源电压， (V{Q}) 为输出电压。

3.2.2 负电荷泵和正电荷泵

负电荷泵和正电荷泵均以1.2MHz的固定频率和50%的占空比工作，通过飞跨电容将电荷从SUP引脚转移到输出端，为TFT提供所需的偏置电压。它们的输出电压可以通过外部电阻进行调节，以满足不同的应用需求。

3.2.3 上电排序与门电压整形

上电排序功能通过DLY1和DLY2引脚的电容设置，确保各部分电路按照设定的顺序启动，避免了启动过程中的不稳定问题。门电压整形功能由CTRL引脚的逻辑信号控制，通过调节外部电容 (C_{ADJ}) 的电压，可减少LCD像素之间的串扰，提高图像质量。

3.2.4 VCOM缓冲器

VCOM缓冲器是一个跨导放大器，用于驱动容性负载。它具有软启动功能，可降低启动时从SUP引脚汲取的电流。在不需要VCOM缓冲器的应用中，可以通过将IN引脚连接到地来关闭该功能，以降低整体静态电流。

3.3 保护机制详解

TPS65150具备多种保护功能，确保设备在异常情况下的安全运行。升压转换器的过压保护功能会监测SUP引脚的电压，当输出电压超过过压阈值时，设备将进入故障模式。可调节的故障延迟功能通过FDLY引脚的电容设置，当输出电压超出调节范围超过设定时间时，设备将进入故障锁定状态，需循环输入电源电压才能恢复正常。热关断功能在芯片温度超过155°C时启动，防止芯片因过热损坏。

4. 典型应用设计案例

以一个由5V电源供电的显示器为例，详细介绍TPS65150的应用设计过程。

4.1 设计要求明确

输入电源电压为5V，升压转换器输出电压为13.5V，电流为450mA，正电荷泵输出电压为23V，电流为20mA，负电荷泵输出电压为 - 5V，电流为20mA。同时，要求升压转换器和电荷泵的输出电压纹波符合一定的要求，并设置合适的上电延迟时间和故障延迟时间。

4.2 详细设计步骤

4.2.1 电感选择

电感的选择主要考虑其饱和电流和直流电阻。饱和电流应高于计算得到的峰值开关电流，并留有一定的余量，以应对重负载瞬变。直流电阻越低，效率越高，但电感的类型和材料也会影响效率。对于TPS65150，3.3µH至6.8µH的电感是不错的选择。

4.2.2 整流二极管选择

整流二极管的反向电压额定值应高于转换器的最大输出电压，平均正向电流额定值应高于最大输出电流，重复峰值正向电流应大于或等于峰值开关电流。

4.2.3 输出电压设置

通过R1/R2电阻分压器设置升压转换器的输出电压，计算公式为 (V{O} = (1 + frac{R1}{R2}) V{ref}) ，其中 (V_{ref}) 为内部参考电压。

4.2.4 电容选择

输出电容用于平滑输出电压，推荐使用低ESR的陶瓷电容。输入电容用于滤波，推荐使用低ESR的陶瓷电容，以提高输入电压的稳定性。

4.2.5 补偿设计

升压转换器需要在COMP引脚和地之间连接一个串联的R - C网络进行补偿。根据输入电压的不同，选择合适的补偿组件。同时，可以添加前馈电容 (C_{FF}) 来改善瞬态性能。

4.2.6 电荷泵设计

负电荷泵和正电荷泵的飞跨电容和输出电容的选择需要根据输出电流和输出电压纹波来确定。反馈电阻的选择需要满足输出电压的要求，并避免对REF引脚造成过大的负载。

4.2.7 门电压整形和上电排序设置

门电压整形功能通过调节电容 (C_{ADJ}) 来设置斜率。上电排序通过DLY1和DLY2引脚的电容设置延迟时间，确保各部分电路按顺序启动。

4.2.8 故障延迟设置

故障延迟时间通过FDLY引脚的电容设置，计算公式为 (t{d(FDLY)} = R{(FDLY)} C{FDLY}) ，其中 (R{(FDLY)}) 为内部电阻。

5. 布局与电源供应建议

5.1 布局指南

PCB布局对于电源设计至关重要。不正确的布局可能导致转换器不稳定、负载调节问题、噪声和EMI问题。对于TPS65150，建议采用以下布局准则：

• 升压转换器的输出电容、输入电容和电源地（PGND）应形成星形接地或直接连接在公共电源接地平面上。
• 输入电容应直接从输入引脚（VIN）连接到地。
• 使用粗PCB走线连接SUP到输出Vs。
• 在SUP引脚和地之间放置一个小的旁路电容。
• 对于VGH和VGL的电荷泵驱动引脚（DRVN，DRVP），使用短走线，因为这些走线承载开关电流。
• 电荷泵飞跨电容应尽可能靠近DRVP和DRVN引脚，以避免这些引脚出现高压尖峰。
• 肖特基二极管应尽可能靠近器件和与DRVP和DRVN连接的飞跨电容。
• 仔细布线电荷泵走线，避免与其他电路产生干扰，因为它们承载高压开关电流。
• VCOM缓冲器的输出电容应尽可能靠近输出引脚（VCOM）。
• 热焊盘必须焊接到PCB上，以确保正确的热性能。

5.2 电源供应建议

TPS65150设计为在1.8V至6V的输入电源下工作。为了实现设备的最佳性能，输入电源应稳定且无噪声。如果输入电源距离设备超过几厘米，可能需要额外的大容量电容。数据手册中的应用原理图中所示的输入电容通常足以满足典型应用的要求。

6. 总结与思考

TPS65150是一款功能强大、性能出色的LCD偏置IC，为电子工程师提供了一个高效、灵活的电源解决方案。通过深入了解其特性、工作原理和应用设计方法，我们可以更好地利用该器件，满足不同LCD显示应用的需求。在实际设计过程中，我们还需要根据具体的应用场景和要求，仔细选择外部组件，合理进行PCB布局，以确保设备的稳定性和可靠性。

你在使用TPS65150或者其他类似器件时，遇到过哪些挑战呢？你认为在电源设计中，还有哪些方面需要特别关注？欢迎在评论区分享你的经验和想法。