深入解析 TPS65178/TPS65178A：LCD 偏置電源的理想之選

作為電子工程師，在進(jìn)行 LCD 相關(guān)設(shè)計(jì)時(shí)，一款合適的電源管理集成電路（IC）至關(guān)重要。今天，我們就來(lái)詳細(xì)剖析一下德州儀器（TI）推出的 TPS65178/TPS65178A，這是一款具有 6 通道伽馬緩沖器、Vcom 參考和動(dòng)態(tài)增益的全可編程 LCD 偏置 IC，它究竟有哪些亮點(diǎn)，又該如何應(yīng)用于實(shí)際設(shè)計(jì)中呢？讓我們一探究竟。

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一、產(chǎn)品概述

TPS65178/TPS65178A 為各種 LCD 偏置應(yīng)用提供了簡(jiǎn)單且經(jīng)濟(jì)的電源解決方案。它能提供 TFT - LCD 面板所需的所有電源軌，還集成了 6 個(gè)伽馬參考、LVDS 支持電源軌、Vcom 參考及其可編程動(dòng)態(tài)增益。該解決方案采用小巧的 6x6mm QFN 封裝，非常適合對(duì)空間要求較高的設(shè)計(jì)。其輸入電壓范圍為 8.6V 至 14.7V，能適應(yīng)不同的電源環(huán)境。

二、產(chǎn)品特性

（一）多類型電源轉(zhuǎn)換

1. 升壓轉(zhuǎn)換器（Boost Converter）：輸出電壓 (V_{DD}) 范圍為 12.8V - 19V（6 位可編程），采用電流模式拓?fù)洌潭l率為 600kHz。例如在實(shí)際應(yīng)用中，若需要一個(gè)較高的穩(wěn)定電壓為特定電路供電，它就能很好地滿足需求。內(nèi)部集成了輸入 - 輸出隔離開(kāi)關(guān)，可有效防止過(guò)壓和短路等情況對(duì)電路造成損害。當(dāng)輸出短路到地時(shí)，若 SWO 引腳電壓下降，轉(zhuǎn)換器會(huì)自動(dòng)關(guān)閉并斷開(kāi)輸入 - 輸出隔離，待故障排除后又能恢復(fù)工作。
2. 降壓轉(zhuǎn)換器
   • Buck 1 轉(zhuǎn)換器（(V_{cc})）：輸出電壓范圍為 3.0V - 3.7V（3 位可編程），非同步型電流模式控制，固定頻率 600kHz。在輕載時(shí)會(huì)采用跳周期模式來(lái)調(diào)節(jié)輸出電壓，以滿足最小導(dǎo)通時(shí)間要求，不過(guò)此時(shí)輸出電壓紋波可能會(huì)稍高。當(dāng)輸出電壓 (V_{CC}) 低于一定閾值時(shí)，會(huì)限制開(kāi)關(guān)頻率，避免短路時(shí)電感失控，同時(shí)有助于平滑啟動(dòng)過(guò)程。
   • Buck 2 與 Buck 4 轉(zhuǎn)換器（(V{CORE}) & (V{EPI})）：同步降壓轉(zhuǎn)換器，采用獨(dú)特的滯環(huán) PWM 控制器方案，開(kāi)關(guān)頻率可超過(guò) 3MHz，能提供出色的瞬態(tài)和交流負(fù)載調(diào)節(jié)性能。輸出電壓可低至 0.9V，適合支持最新的時(shí)序控制器和面板接口。Buck 4 轉(zhuǎn)換器在啟動(dòng)時(shí)會(huì)跟蹤 Buck 1 轉(zhuǎn)換器的輸出電壓，而 Buck 2 轉(zhuǎn)換器在 Buck 1 和 Buck 4 達(dá)到電源正常信號(hào)后才開(kāi)始工作。
   • Buck 3 轉(zhuǎn)換器（(HV_{DD})）：同步降壓轉(zhuǎn)換器，PWM 能夠吸收和提供高達(dá) 500mA 的電流。啟動(dòng)時(shí)，其輸出電壓會(huì)按比例跟蹤升壓轉(zhuǎn)換器的輸出電壓。同時(shí)具備保護(hù)功能，當(dāng)出現(xiàn)短路或過(guò)壓情況時(shí)，會(huì)與升壓轉(zhuǎn)換器一同關(guān)閉，故障排除后自動(dòng)恢復(fù)。

（二）電荷泵模塊

1. 正電荷泵控制器（(V_{GH})）：輸出電壓在低溫下范圍為 19V - 34V（4 位可編程），高溫下為 17V - 32V（4 位可編程），并具有溫度補(bǔ)償功能。通過(guò)連接外部負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻（NTC），可根據(jù)溫度調(diào)節(jié)輸出電壓。例如在不同環(huán)境溫度下，能確保為電路提供穩(wěn)定合適的電壓。當(dāng)檢測(cè)到輸出短路（電壓低于 1V）時(shí)，會(huì)限制 CTRLP 引腳的基極電流，同時(shí)升壓轉(zhuǎn)換器的開(kāi)關(guān)活動(dòng)也會(huì)暫停，直到 (V_{GH}) 高于 1V 恢復(fù)正常。
2. 負(fù)電荷泵（(V_{GL})）：輸出電壓范圍為 -1.8V - -8.1V（6 位可編程）。同樣具備短路保護(hù)功能，當(dāng) (V_{GL}) 保持高于 -0.7V 時(shí)，會(huì)檢測(cè)到短路情況并限制基極電流。

（三）其他特性

1. 6 通道伽馬緩沖器：3 通道輸出范圍為 (V{DD} - HV{DD})（9 位可編程），另外 3 通道為 (HV_{DD} - GND)（9 位可編程），可作為源驅(qū)動(dòng)器 IC 的電壓參考。每個(gè)通道能夠提供 10mA 的直流輸出電流（最小保證值），但輸出通道不適合驅(qū)動(dòng)大于 150pF 的高容性負(fù)載，應(yīng)直接連接到源驅(qū)動(dòng)器 IC。
2. (V_{COM}) 參考和增益：9 位 (V{COM}) 參考，2 位 (V{COM}) 增益，支持可選的動(dòng)態(tài)增益?？赏ㄟ^(guò)兩線接口設(shè)置非反相 Vcom 電壓 (V_{POS}) 和 Vcom 增益，增益選項(xiàng)包括固定增益（緩沖模式、 -1x、 -2x、 -3x）和動(dòng)態(tài)增益（ -2x、 -4x）。
3. 可編程功能：具備復(fù)位信號(hào)，其延時(shí)時(shí)間可編程；電源啟動(dòng)順序延時(shí)也可編程，DLY1、DLY2 和 DLY3 可按 5ms 步進(jìn)設(shè)置，最大為 35ms；還具有熱關(guān)斷保護(hù)功能，當(dāng)結(jié)溫上升到一定程度（如 138°C）時(shí)，會(huì)自動(dòng)關(guān)斷，結(jié)溫下降后（滯后 8°C）恢復(fù)工作。

三、應(yīng)用領(lǐng)域

由于其豐富的功能和良好的性能，TPS65178/TPS65178A 廣泛應(yīng)用于 LCD TV 和 LCD 顯示器等領(lǐng)域。在這些應(yīng)用中，它能為面板提供穩(wěn)定、精準(zhǔn)的電源，確保顯示效果的高質(zhì)量。

四、設(shè)計(jì)要點(diǎn)

（一）各轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)

1. 升壓轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)
   • 電感選擇：電感飽和電流要能處理最大峰值電流（(I_{LSAT } > I{SWPEAK }) 或 (I_{LSAT } > I{LIM_max })），直流電阻（DCR）越低越好，推薦電感值范圍為 (10 mu H ≤L ≤22 mu H)，且該轉(zhuǎn)換器針對(duì) 10μH 電感進(jìn)行了優(yōu)化。例如，Sumida 的 CDRH8D43NP - 100N（10μH）和 CD105NP - 100M（22μH）都是不錯(cuò)的選擇。
   • 整流二極管選擇：建議使用肖特基二極管，反向電壓 (V{R}) 要能阻斷 (V{ovp}) 電壓（推薦 20V），平均整流正向電流 (I_{F}) 要能處理輸出電流（保守推薦 2A），同時(shí)要考慮其散熱特性。像 MBRS320、SL22 等都是合適的二極管型號(hào)。
   • 補(bǔ)償設(shè)計(jì)：通過(guò)調(diào)整連接到 COMP 引腳的外部組件來(lái)補(bǔ)償調(diào)節(jié)環(huán)路。對(duì)于大多數(shù)應(yīng)用，可先使用 (R{COMP } = 33 k Omega) 和 (C{COMP} = 1 nF)，若使用 22uH 電感，推薦 (R{COMP } = 22 k Omega) 和 (C{COMP}=1 nF)。
2. 降壓轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)
   • Buck 1 轉(zhuǎn)換器：設(shè)計(jì)步驟包括計(jì)算占空比、電感紋波電流、最大輸出電流和峰值開(kāi)關(guān)電流等。電感和整流二極管的選擇可參考升壓轉(zhuǎn)換器部分。
   • Buck 2 和 Buck 4 轉(zhuǎn)換器：由于采用了獨(dú)特的控制方案，可使用小型電感（范圍為 1.0 (mu H ≤L ≤2.2 mu H)，優(yōu)化值為 2.2uH）和陶瓷電容。例如 Murata 的 LQM21PN2R2（2.2μH）和 FDK 的 MPSZ2012D2R2（2.2μH）都是可選的電感型號(hào)。輸入電容需選用低 ESR 電容，以減少輸入電壓尖峰對(duì)其他電路的干擾；輸出電容推薦使用低 ESR 陶瓷電容，以降低輸出電壓紋波。
   • Buck 3 轉(zhuǎn)換器：同樣要計(jì)算占空比、電感紋波電流等參數(shù)。電感推薦范圍為 4.7μH - 10μH，優(yōu)化值為 6.8μH。輸入和輸出電容一般選用 10μF 的陶瓷電容。

（二）電荷泵設(shè)計(jì)

1. 正電荷泵
   • 二極管選擇：小信號(hào)二極管適用于大多數(shù)低電流應(yīng)用（< 50mA），高功率應(yīng)用則需選用更高額定值的二極管。二極管的平均電流等于輸出電流，反向電壓額定值應(yīng)等于 (2 ×V_{D D})。
   • 電容選擇：飛行電容范圍為 100nF - 1μF，較大的值可實(shí)現(xiàn)更高的輸出電壓和/或電流，但物理尺寸可能較大且成本較高；存儲(chǔ)電容推薦使用低 ESR 陶瓷電容，范圍為 1μF - 10μF。若晶體管置于輸入側(cè)，需一個(gè) 100nF - 1μF 的集電極電容；置于輸出側(cè)，則需一個(gè) 1μF - 10μF 的發(fā)射極電容。
   • 晶體管選擇：用于調(diào)節(jié) (V{GH}) 的 PNP 晶體管的直流增益（(h{FE})）在集電極電流等于電荷泵輸出電流時(shí)應(yīng)至少為 100，且能承受集電極 - 發(fā)射極間高達(dá) (2 ×V{D D}) 的電壓。同時(shí)，要確保晶體管能有效散熱，其耗散功率可通過(guò)公式 (P{Q}=left[left(2 × V{D D}right)-left(2 × V{F}right)-V{G H}right] × I{G H}) 計(jì)算。
2. 負(fù)電荷泵：二極管、電容和晶體管的選擇原則與正電荷泵類似。例如，用于調(diào)節(jié) (V{GL}) 的 NPN 晶體管的直流增益（(h{FE})）在集電極電流等于電荷泵輸出電流時(shí)應(yīng)至少為 100，且能承受集電極 - 發(fā)射極間高達(dá) (V{IN }) 的電壓，其耗散功率計(jì)算公式為 (P{Q}=left[V{IN}-left(2 × V{F}right)-left|V{GL}right|right] × I{GL})。

（三）PCB 布局建議

1. 對(duì)于 Buck 2 和 Buck 4 轉(zhuǎn)換器，在 OUT1 引腳（4）上盡可能靠近 IC 放置一個(gè)至少 1μF 的去耦電容，有助于穩(wěn)定滯環(huán)轉(zhuǎn)換器的開(kāi)關(guān)波形。
2. 對(duì)于高 dv/dt 信號(hào)（開(kāi)關(guān)引腳走線），應(yīng)盡量減少銅面積，防止與其他走線或接地層形成無(wú)意的平行板電容，最好在同一層布線信號(hào)和返回線。
3. 對(duì)于高 di/dt 信號(hào)，走線要短、寬且間距小，以減少雜散電感，降低電流環(huán)路面積，防止電磁干擾（EMI）。
4. 盡可能避免使用過(guò)孔，因?yàn)檫^(guò)孔具有較高的電感和電阻。若必須使用，應(yīng)并聯(lián)多個(gè)過(guò)孔以減少寄生參數(shù)，特別是對(duì)于電源線。
5. 輸入電容要靠近 IC，采用低電感走線。開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)和二極管之間的銅走線要盡可能短而寬。采用單點(diǎn)接地方式，所有 AGND 和 PGND 引腳都要連接到電源焊盤(pán)。將模擬信號(hào)路徑與功率路徑隔離，開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)引腳到電感的走線要短，以減少 EMI 輻射和噪聲耦合。輸出電壓反饋采樣應(yīng)直接在輸出電容處進(jìn)行，并做好屏蔽。

（四）I2C 接口

TPS65178/A 通過(guò)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的兩線 I2C 接口進(jìn)行通信，支持標(biāo)準(zhǔn)模式（100kbps）和快速模式（400kbps）。該芯片集成了非易失性存儲(chǔ)器（EEPROM），可存儲(chǔ) DAC 值，最多支持 1000 次編程周期。通過(guò) I2C 接口，可對(duì)各電源軌的輸出電壓、延時(shí)時(shí)間、增益等參數(shù)進(jìn)行編程設(shè)置。具體的寄存器映射和數(shù)據(jù)傳輸格式在文檔中有詳細(xì)說(shuō)明，工程師在設(shè)計(jì)時(shí)需參考這些信息進(jìn)行配置。

五、總結(jié)

TPS65178/TPS65178A 憑借其豐富的功能、出色的性能和靈活的可編程特性，為 LCD 偏置電源設(shè)計(jì)提供了一個(gè)優(yōu)秀的解決方案。在實(shí)際應(yīng)用中，電子工程師需要根據(jù)具體的設(shè)計(jì)需求，合理選擇各組件的參數(shù)，并注意 PCB 布局和 I2C 接口的配置，以充分發(fā)揮該芯片的優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定、高效的電源管理。大家在使用過(guò)程中遇到過(guò)哪些問(wèn)題呢？歡迎在評(píng)論區(qū)分享交流。