深入解析TPS60230：高效的白光LED電荷泵電流源

在電子設(shè)備的設(shè)計(jì)中，白光LED的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，如手機(jī)、智能手表等設(shè)備的顯示屏背光。而TPS60230作為一款專門為白光LED供電優(yōu)化的電荷泵電流源，在這一領(lǐng)域發(fā)揮著重要的作用。今天，我們就來(lái)深入了解一下這款芯片。

文件下載：tps60230.pdf

芯片概述

TPS60230是德州儀器（Texas Instruments）推出的一款具有PWM亮度控制功能的白光LED電荷泵電流源。它具有諸多出色的特性，適用于多種應(yīng)用場(chǎng)景。

主要特性

• 精準(zhǔn)的電流匹配：輸出電流調(diào)節(jié)精度高，匹配度可達(dá)0.4%，能確保多個(gè)LED的亮度一致。
• 強(qiáng)大的驅(qū)動(dòng)能力：可同時(shí)驅(qū)動(dòng)多達(dá)5個(gè)LED，每個(gè)LED的驅(qū)動(dòng)電流最高可達(dá)25mA。
• 靈活的亮度控制：通過(guò)PWM控制信號(hào)實(shí)現(xiàn)LED亮度的靈活調(diào)節(jié)，滿足不同的顯示需求。
• 高效的電源轉(zhuǎn)換：采用1x和1.5x分?jǐn)?shù)轉(zhuǎn)換模式，在不同的輸入電壓下都能保持較高的效率。
• 低紋波與低EMI：內(nèi)部軟啟動(dòng)功能限制了浪涌電流，減少了輸入紋波和電磁干擾（EMI）。
• 全面的保護(hù)功能：具備過(guò)流、過(guò)溫保護(hù)以及帶遲滯的欠壓鎖定功能，保障芯片的穩(wěn)定運(yùn)行。
• 小巧的封裝形式：采用超小的3mm x 3mm QFN封裝，節(jié)省了電路板空間。

應(yīng)用場(chǎng)景

TPS60230廣泛應(yīng)用于各種需要白光LED背光的設(shè)備，如手機(jī)、智能手機(jī)、個(gè)人數(shù)字助理（PDA）、手持電腦、數(shù)碼相機(jī)和攝像機(jī)等的彩色顯示屏背光，以及按鍵背光等。

工作原理

TPS60230采用了分?jǐn)?shù)轉(zhuǎn)換電荷泵來(lái)為集成的電流源生成電源電壓。這些電流源用于確保每個(gè)LED的電流恒定。根據(jù)輸入電壓和編程的LED電流，電荷泵可以自動(dòng)在1x模式和1.5x模式之間切換，以優(yōu)化電源轉(zhuǎn)換效率，并延長(zhǎng)電池的使用時(shí)間。

電流調(diào)節(jié)

通過(guò)在ISET引腳連接一個(gè)電阻來(lái)設(shè)置最大LED電流。這個(gè)電阻會(huì)編程一個(gè)參考電流，該電流通過(guò)電流鏡來(lái)設(shè)置LED電流。通常情況下，每個(gè)LED的電流是ISET引腳電阻電流的260倍。

亮度控制

通過(guò)向EN1引腳和/或EN2引腳施加PWM信號(hào)來(lái)控制LED的亮度。此外，也可以通過(guò)向ISET引腳輸入一個(gè)模擬控制信號(hào)來(lái)實(shí)現(xiàn)亮度控制。

軟啟動(dòng)功能

芯片內(nèi)部設(shè)有軟啟動(dòng)電路，用于限制啟動(dòng)時(shí)的浪涌電流。當(dāng)輸出電壓低于輸入電壓時(shí)，輸出電容通過(guò)電流源直接從輸入充電，輸出電流線性增加，直到輸出電壓接近輸入電壓300mV。當(dāng)1x模式能夠達(dá)到編程的輸出電流時(shí)，芯片結(jié)束軟啟動(dòng)并進(jìn)入正常工作模式；否則，電荷泵將進(jìn)入1.5x模式，將輸出電壓提升到所需水平。

使能控制

EN1和EN2引腳用于使能芯片或使其進(jìn)入關(guān)機(jī)狀態(tài)。當(dāng)其中一個(gè)引腳的電壓高于1.3V的使能閾值時(shí)，芯片啟動(dòng)并執(zhí)行軟啟動(dòng)程序；當(dāng)兩個(gè)引腳都拉低到GND時(shí)，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的延遲后，芯片進(jìn)入關(guān)機(jī)狀態(tài)，此時(shí)電荷泵、電流源、電壓基準(zhǔn)、振蕩器和其他所有功能都將關(guān)閉，電源電流降至0.1μA。此外，EN1和EN2引腳還可以用于調(diào)光，通過(guò)設(shè)置不同的邏輯電平來(lái)控制LED的電流。

電氣特性

電壓與電流參數(shù)

• 輸入電壓范圍：2.7V至6.5V，適用于單節(jié)鋰離子電池或3 - 4節(jié)鎳鎘、鎳氫或堿性電池供電的應(yīng)用。
• 工作靜態(tài)電流：在不同的工作模式下，靜態(tài)電流有所不同。例如，在x1模式下，當(dāng)V I = 4.2V，EN1 = EN2 = 1，ISET = 20μA時(shí)，典型值為200μA；在x1.5模式下，當(dāng)I O = 0 mA時(shí)，典型值為2.1mA。
• 關(guān)機(jī)電流：當(dāng)EN2 = EN1 = GND時(shí)，關(guān)機(jī)電流典型值為0.1μA，最大值為1μA。

電荷泵特性

• 過(guò)壓限制：當(dāng)LED1未連接，V I = 4.2V時(shí)，輸出過(guò)壓限制典型值為5.5V。
• 啟動(dòng)時(shí)間：當(dāng)C O = 1μF，I DX ≥ 0.9 I DX，set時(shí)，啟動(dòng)時(shí)間典型值為375μs。
• 軟啟動(dòng)持續(xù)時(shí)間：典型值為160μs。
• 開(kāi)關(guān)頻率：開(kāi)關(guān)頻率范圍為0.75MHz至1.25MHz，典型值為1MHz。

電流源特性

• 推薦最大電流：在3.2V ≤ V I ≤ 6.5V的條件下，每個(gè)電流源的推薦最大電流為25mA。
• 短路電流：當(dāng)Iset引腳短路到GND，且3.0V ≤ V I ≤ 6.5V時(shí)，每個(gè)電流源的電流為50mA。
• 電流匹配度：在V Dx = 3.1V，T A = 25°C的條件下，任意兩個(gè)輸出之間的電流匹配度在 - 2%至2%之間，典型值為0.4%。

設(shè)計(jì)要點(diǎn)

電容選擇

推薦使用X5R或X7R等陶瓷電容。對(duì)于兩個(gè)飛電容C1和C2，應(yīng)使用低ESR電容，以避免不必要的效率損失。在VOUT引腳使用低ESR電容可以降低電流源供電的紋波電壓。

在選擇電容時(shí)，除了考慮上述低ESR和陶瓷材質(zhì)等因素外，還需要綜合多方面因素。從使用頻率來(lái)看，由于TPS60230開(kāi)關(guān)頻率為1MHz，屬于較高頻率，疊層陶瓷電容器是比較合適的選擇，因?yàn)椴煌愋碗娙萜黝l率性能差別大，若工作頻率過(guò)高或過(guò)低，電容器的基本容量和阻抗特性會(huì)發(fā)生很大變化，可能導(dǎo)致電路信號(hào)特點(diǎn)不能達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

從環(huán)境溫度變化方面考慮，如果應(yīng)用場(chǎng)景環(huán)境溫度變化幅度較大，如室外工作的電子設(shè)備，就需要選擇在寬溫度范圍內(nèi)電容器容量和阻抗及漏電流變化最小的電容器。在各類電容器中，固體鉭電容器溫度特性較好，但結(jié)合成本和實(shí)際情況，X5R或X7R陶瓷電容也能在一定程度上滿足要求。

根據(jù)輸入和輸出功率大小，當(dāng)TPS60230應(yīng)用于輸入和輸出功率較高的電路中時(shí)，電容不光需要有更低的ESR，還必須具有非常低的漏導(dǎo)電流，否則會(huì)導(dǎo)致?lián)舸└怕试黾雍洼敵龅墓β什ㄐ尾荒軡M足要求。并且由于不同電容器自身阻抗不同，在輸入和輸出功率較大時(shí)，要考慮該電容器自身電阻導(dǎo)致的溫度升高幅度和自身散熱能力的平衡問(wèn)題。

在電路板體積和安裝面積方面，由于TPS60230采用超小的3mm x 3mm QFN封裝，為了配合整體的小型化設(shè)計(jì)，應(yīng)使用片式化的能量密度較高的電容器。片式化不僅提高了電容器的體積容量比，還降低了電容器的電感，而較低的等效串聯(lián)感抗（ESL）和等效串聯(lián)電阻（ESR）是決定電容器頻率特性好壞的決定性參數(shù)。

功率效率與功耗計(jì)算

• 功率效率：TPS60230的功率轉(zhuǎn)換效率可以通過(guò)將每個(gè)LED的電流和電壓的乘積相加，再除以輸入電壓和電流的乘積來(lái)計(jì)算。在電池充滿電時(shí)，輸入電壓通常高于LED的正向電壓，電荷泵工作在1x模式，效率非常高；隨著電池放電，當(dāng)電流源無(wú)法提供足夠的電壓來(lái)維持恒定電流調(diào)節(jié)時(shí)，電荷泵會(huì)切換到1.5x模式，此時(shí)轉(zhuǎn)換效率在切換點(diǎn)處最低；隨著電池進(jìn)一步放電，效率會(huì)再次增加，直到輸入電壓約為3.1V時(shí)達(dá)到第二個(gè)最大值。當(dāng)輸入電壓低于3.1V時(shí)，每個(gè)LED的最大電流小于25mA。 從搜索結(jié)果中雖未直接獲取提高TPS60230功率效率的方法，但結(jié)合芯片本身特性和電子設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，我們可以從以下方面來(lái)提高其功率效率。首先，在電容選擇上，確保使用低ESR的飛電容C1和C2，這能減少不必要的能量損耗，從而提高效率。低ESR的輸出電容也可降低電流源供電的紋波電壓，有助于提升整體效率。

其次，合理利用芯片的1x和1.5x模式切換功能。在電池充滿電，輸入電壓高于LED正向電壓時(shí)，讓電荷泵工作在1x模式，此模式下效率較高。隨著電池放電，當(dāng)電流源無(wú)法維持恒定電流調(diào)節(jié)時(shí)，自動(dòng)切換到1.5x模式，不過(guò)要注意在切換點(diǎn)處效率會(huì)降低，可通過(guò)優(yōu)化電路設(shè)計(jì)和參數(shù)設(shè)置，盡量減少在切換點(diǎn)附近的工作時(shí)間。

再者，優(yōu)化LED的連接方式和電流設(shè)置。根據(jù)實(shí)際需求，合理設(shè)置每個(gè)LED的電流，避免過(guò)大或過(guò)小的電流導(dǎo)致效率降低。同時(shí)，確保LED的連接方式正確，減少線路損耗。

另外，在散熱設(shè)計(jì)方面，良好的散熱能保證芯片在適宜的溫度下工作，避免因溫度過(guò)高導(dǎo)致效率下降。可以通過(guò)合理的PCB布局，將芯片的散熱焊盤與電路板充分焊接，以提高散熱效率。大家在實(shí)際應(yīng)用中，有沒(méi)有嘗試過(guò)這些方法來(lái)提高功率效率呢？

• 功率功耗：TPS60230內(nèi)部的最大功耗可以根據(jù)公式 (P{D max }=[(1.5 × V{1}) - V{O} + 0.4 V] × I{O}) 來(lái)計(jì)算。最大功耗通常發(fā)生在輸入電壓剛好能使芯片工作在1.5x模式，且白色LED的正向電壓達(dá)到最大值時(shí)。例如，當(dāng) (V{1}=4.2 V) ，正向電壓為3.6V時(shí)。同時(shí)，需要確保這個(gè)最大功耗低于封裝允許的最大功耗，封裝允許的最大功耗可以通過(guò)公式 (P{D max, package }=frac{T{Jmax } - T{A}}{T_{theta j a}}) 計(jì)算。

應(yīng)用案例

并聯(lián)電阻應(yīng)用

當(dāng)需要超過(guò)25mA的輸出電流時(shí)，可以將電流源的輸入引腳并聯(lián)。這種方法還可以用于連接只有兩個(gè)引腳的LC顯示屏的白光LED。

模擬調(diào)光應(yīng)用

ISET引腳可以連接一個(gè)0mV至600mV的模擬直流信號(hào)（EN1 = EN2 = 1），用于對(duì)白光LED進(jìn)行模擬調(diào)光。當(dāng)ISET引腳輸入電壓為0V時(shí)，電流最大；當(dāng)輸入電壓為600mV時(shí)，LED電流為零。

混合LED應(yīng)用

TPS60230可以為任何類型的LED供電，也可以將白光LED與正向電壓較低的彩色LED混合使用。需要將正向電壓最高的LED（通常是白光LED）連接到D1引腳，因?yàn)殡姾杀玫妮敵鲭妷菏峭ㄟ^(guò)調(diào)節(jié)D1引腳的電壓來(lái)控制的。

閃光燈應(yīng)用

該芯片還可以用于為一個(gè)或多個(gè)白光LED提供閃光燈電源。在這種應(yīng)用中，通常需要在短時(shí)間內(nèi)提供一定的電流。當(dāng)芯片不是連續(xù)開(kāi)啟時(shí)，可以支持150mA的輸出電流。

總結(jié)

TPS60230是一款功能強(qiáng)大、性能出色的白光LED電荷泵電流源芯片。它具有高效的電源轉(zhuǎn)換、靈活的亮度控制、全面的保護(hù)功能和小巧的封裝等優(yōu)點(diǎn)，適用于各種白光LED背光應(yīng)用。在設(shè)計(jì)過(guò)程中，需要根據(jù)具體的應(yīng)用需求合理選擇電容、設(shè)置電流和電壓參數(shù)，并注意芯片的散熱和布局，以確保芯片的穩(wěn)定運(yùn)行和最佳性能。你在使用TPS60230芯片的過(guò)程中遇到過(guò)哪些問(wèn)題呢？又是如何解決的呢？歡迎在評(píng)論區(qū)分享你的經(jīng)驗(yàn)和見(jiàn)解。