TPS61169：高电流升压WLED驱动器的技术解析与应用指南

在电子设备的设计中，LED驱动电路是一个关键部分，尤其是对于需要高效、稳定背光的设备。德州仪器（TI）的TPS61169高电流升压WLED驱动器，为小尺寸到大尺寸面板背光应用提供了出色的解决方案。今天，我们就来深入了解一下这款驱动器的特性、应用和设计要点。

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1. 特性亮点

TPS61169具有一系列令人瞩目的特性，使其在众多LED驱动器中脱颖而出。

• 宽输入电压范围：支持2.7V至5.5V的输入电压，适应多种电源环境。
• 集成高效MOSFET：内置40V、1.8A的MOSFET，最小开关电流限制为1.2A，能够驱动高达38V的LED串。
• 高开关频率：1.2MHz的开关频率，有助于减小外部元件尺寸，提高功率密度。
• 低参考电压：204mV的参考电压，降低了电流检测电阻的功耗。
• 多种保护功能：具备开路LED保护、欠压保护、内置软启动和热关断功能，确保设备的稳定性和可靠性。
• 高效节能：最高效率可达90%，有效降低功耗。

2. 应用领域

TPS61169的应用范围广泛，涵盖了众多需要LED背光的设备：

• 移动设备：智能手机、平板电脑的背光。
• 手持设备：PDAs、手持电脑、GPS接收器、便携式媒体播放器和便携式电视。
• 工业与医疗设备：手持数据终端（EPOS）、手持医疗设备、恒温器显示器和血糖仪。
• 其他应用：手电筒、冰箱和烤箱等。

3. 功能概述

3.1 工作原理

TPS61169是一款升压转换器，采用电流模式控制和准恒定频率方案。在导通期间，电流流入电感器；当电流达到内部GM放大器设定的阈值时，功率开关MOSFET关闭。电感器极性改变，使肖特基二极管正向偏置，电流流向升压转换器的输出。关断时间对于特定的输入和输出电压是固定的，从而在不同参数变化时保持相同的频率。

3.2 关键特性描述

• 软启动：集成软启动电路，避免启动时的高浪涌电流尖峰。启动后，GM放大器输出电压缓慢上升，确保输出电压缓慢升高，减小输入电流。启动期间，开关电流限制设定为0.72A，约6.5ms后恢复到正常的电流限制值。
• 开路LED保护：监测SW引脚和FB引脚的电压，当SW电压超过过压阈值且FB电压低于30mV，且这种情况持续3个开关周期时，关闭开关FET并关闭设备，防止输出电压超过设备的绝对最大额定值。
• 关断模式：当CTRL引脚电压为逻辑低电平超过2.5ms时，设备进入关断模式，输入电源电流小于2μA（最大值）。
• 电流编程：通过与LED串串联的电流检测电阻RSET外部编程LED电流，FB电压由204mV的低参考电压调节。
• LED亮度调光：通过CTRL引脚接收PWM调光信号控制总输出电流。PWM信号的占空比决定FB引脚的调节电压，从而实现LED亮度调光。这种方法避免了传统PWM调光可能产生的可听噪声。
• 欠压锁定：防止设备在输入电压低于典型2V时工作。当输入电压低于欠压阈值时，设备关闭；当输入电压上升超过欠压锁定迟滞值时，设备重启。
• 热折返和热关断：当设备驱动大尺寸面板应用的重负载时，功率耗散增加，结温可能升高。热折返功能在结温高于100°C时自动降低开关电流限制，控制功率耗散。当结温超过160°C时，内部热关断功能关闭设备；当结温下降15°C时，设备自动恢复。

4. 引脚配置与功能

TPS61169采用5引脚SC70封装，各引脚功能如下：	引脚编号	引脚名称	输入/输出	描述
1	SW	I	内部功率FET的漏极连接
2	GND	O	接地
3	FB	I	电流反馈引脚，连接检测电阻到GND
4	CTRL	I	PWM调光信号输入
5	VIN	I	电源输入引脚

5. 规格参数

5.1 绝对最大额定值

参数	最小值	最大值	单位
VIN, CTRL, PWM, FB电压	-0.3	7	V
SW电压	-0.3	40	V
连续功率耗散	见热信息表
工作结温	-40	150	°C
存储温度	-65	150	°C

5.2 ESD额定值

• 人体模型（HBM）：+2000V
• 带电器件模型（CDM）：±500V

5.3 推荐工作条件

参数	最小值	典型值	最大值	单位
输入电压	2.7		5.5	V
输出电压	VIN		38	V
电感器	4.7		10	μH
输入电容	1			μF
输出电容	1		10	μF
PWM调光信号频率	5		100	kHz
PWM调光信号占空比	1%		100%
工作结温	-40		125	°C

5.4 热信息

热指标	TPS61169（DCK封装）	单位
结到环境热阻	263.8	°C/W
结到外壳（顶部）热阻	76.1	°C/W
结到电路板热阻	51.4	°C/W
结到顶部表征参数	1.1	°C/W
结到电路板表征参数	50.7	°C/W

5.5 电气特性

在工作自由空气温度范围内，VIN = 3.6V，CTRL = VIN（除非另有说明），部分重要电气特性如下：	参数	测试条件	最小值	典型值	最大值	单位
输入电压范围		2.7		5.5	V
欠压锁定阈值（VIN下降）			2	2.3	V
欠压锁定阈值（VIN上升）			2.6		V
欠压锁定迟滞			200		mV
工作静态电流	设备使能，1.2MHz开关且无负载		0.3	0.45	mA
关断电流	CTRL = GND		1	2	μA
开关频率	VIN = 3V	0.75	1.2	1.5	MHz
开关MOSFET电流限制	D = DMAX，TA ≤ 85°C	1.2	1.8	2.4	A
开关MOSFET启动电流限制	TA ≤ 85°C		0.72		A
输出过压阈值		36	37.5	39	V
热关断阈值			160		°C
热关断迟滞			15		°C

6. 应用与设计

6.1 设计要求

以一个具体设计示例为例，输入参数如下：	设计参数	示例值
输入电压范围	2.7V至5.5V
输出LED串中的LED数量	10
输出LED串数量	1
每串LED电流	20mA

6.2 详细设计步骤

6.2.1 电感器选择

电感器的选择对功率效率、稳态运行、瞬态行为和环路稳定性有重要影响。选择时需考虑电感值、直流电阻和饱和电流。推荐电感值范围为4.7μH至10μH，对于输入电压高于5V的情况，推荐使用4.7μH的电感器。计算电感峰值电流的公式如下： [I{L(DC)}=frac{V{OUT} times I{OUT}}{V{IN} times eta}] [ Delta I{L(P-P)}=frac{1}{L times (frac{1}{V{OUT}-V{IN}}+frac{1}{V{IN}}) times F{S}}] [I{L(P)}=I{L(DC)}+frac{Delta I{L(P-P)}}{2}] 其中，(I{L(DC)})为电感直流电流，(V{OUT})为升压输出电压，(I{OUT})为升压输出电流，(V{IN})为升压输入电压，(eta)为功率转换效率，(Delta I{L(P-P)})为电感峰 - 峰纹波电流，(L)为电感值，(F{S})为升压开关频率。

6.2.2 肖特基二极管选择

TPS61169需要一个低正向电压、高速和低电容的肖特基二极管以实现最佳效率。二极管的平均和峰值电流额定值必须超过平均输出电流和电感峰值电流，反向击穿电压必须超过开路LED保护电压。推荐使用ONSemi NSR0240。

6.2.3 输出电容选择

输出电容主要用于满足输出纹波和环路稳定性的要求。纹波电压与电容值及其等效串联电阻（ESR）有关。假设电容ESR为零，给定纹波所需的最小电容可通过以下公式计算： [C{OUT}=frac{(V{OUT}-V{IN}) times I{OUT}}{V{OUT} times F{S} times V{ripple}}] 其中，(V{ripple})为峰 - 峰输出纹波。由于陶瓷电容的ESR较低，对于典型应用，推荐使用1μF至4.7μF的电容。

6.2.4 LED电流设定电阻

LED电流设定电阻可通过公式(I{LED}=frac{V{FB}}{R{SET}})计算，其中(I{LED})为LED串的总输出电流，(V{FB})为FB引脚的调节电压，(R{SET})为电流检测电阻。

6.2.5 热考虑

在正常工作条件下，必须考虑允许的IC结温，这限制了TPS61169的功率耗散。允许的功率耗散可通过公式(P{D}=frac{T{J}-T{A}}{R{theta JA}})计算，其中(T{J})为推荐工作条件下允许的结温，(T{A})为应用的环境温度，(R_{theta JA})为结到环境的热阻。此外，TPS61169还具有热折返功能，可自动降低热应力。

6.3 布局建议

布局对于开关电源的性能至关重要，特别是对于高频和大电流的应用。以下是一些布局指南：

• 使用宽而短的走线用于高电流路径。
• 输入电容(C_{IN})应靠近VIN引脚和GND引脚，以减少设备看到的输入纹波。
• SW引脚承载高电流且上升和下降沿快速，因此SW引脚到电感器的连接应尽可能短而宽。
• 输出电容(C{OUT})应靠近VOUT引脚，并且(C{OUT})的接地应靠近GND引脚。
• FB电阻应靠近FB引脚。
• 建议使用短走线将信号地与功率地分开，并在靠近GND引脚的单点连接。

7. 总结

TPS61169是一款功能强大、性能出色的高电流升压WLED驱动器，适用于多种LED背光应用。通过合理选择外部元件和优化布局设计，可以充分发挥其优势，实现高效、稳定的LED驱动。在实际设计中，工程师需要根据具体应用需求，仔细考虑各项参数和特性，确保设计的可靠性和性能。 你在使用TPS61169的过程中遇到过哪些问题呢？欢迎在评论区分享你的经验和见解。