深入剖析TPS61160/1：高性能LED驱动芯片的特性与应用

在电子工程师的日常工作中，高性能的LED驱动芯片是实现各种照明解决方案的关键组件。今天，我们来深入了解一下德州仪器（TI）推出的TPS61160和TPS61161这两款芯片，它们为移动设备中的LED照明提供了卓越的解决方案。

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一、产品概述

TPS61160和TPS61161是两款采用2mm x 2mm WSON封装的升压转换器，专为驱动串联白色LED而设计。它们具有2.7V至18V的宽输入电压范围，分别提供26V（TPS61160）和38V（TPS61161）的开路LED保护，能够有效保护设备免受LED断开的影响。此外，芯片还具备200mV的参考电压，精度高达±2%，并支持灵活的数字和PWM亮度控制，效率最高可达90%。

二、产品特性与优势

2.1 高性能转换能力

这两款芯片运行在600kHz的固定开关频率下，能够有效降低输出纹波，提高转换效率，同时允许使用小型外部组件，从而节省电路板空间。其采用的传统电流模式控制架构，并添加了斜率补偿，确保在占空比大于50%时仍能稳定运行。

2.2 多种保护机制

• 软启动功能：内置的软启动电路可避免启动时的高浪涌电流。设备启用后，FB引脚电压将分32步斜坡上升至参考电压，每步耗时213μs，确保输出电压缓慢上升，降低输入电流。在COMP电压斜坡上升后的前5ms内，开关的电流限制将设置为正常电流限制规格的一半，将输入电流保持在400mA（典型值）以下。
• 开路LED保护：监测SW引脚和FB引脚的电压，当SW电压超过阈值且FB电压小于调节电压的一半时，持续8个开关时钟周期，开关FET将关闭，设备进入关机模式，防止输出电压超过设备的绝对最大电压额定值。
• 欠压锁定：当输入电压低于典型值2.2V时，设备将自动关机，内部开关FET关闭；当输入电压上升超过欠压锁定滞后值时，设备将重新启动。
• 热关断：当结温超过典型值160°C时，内部热关断功能将关闭设备；当结温下降15°C时，设备将自动恢复工作。

2.3 灵活的亮度控制

• PWM调光：通过将PWM信号应用于CTRL引脚，可以调节FB引脚的调节电压，从而实现LED亮度的调光。与传统的PWM信号滤波方法不同，TPS61160和TPS61161的调节电压独立于PWM逻辑电压电平，消除了LED电流脉冲时常见的可听噪声。
• 数字单线调光：CTRL引脚采用EasyScale协议，支持数字亮度控制。通过简单的单引脚接口，可将FB电压编程为32个步骤之一，节省处理器功率和电池寿命。

三、引脚配置与功能

TPS61160和TPS61161采用6引脚WSON封装，各引脚功能如下：	PIN	I/O	DESCRIPTION
COMP	O	跨导误差放大器的输出，连接外部电容器以补偿转换器
CTRL	I	多功能控制引脚，用于启用控制、PWM和数字调光
FB	I	电流反馈引脚，连接感测电阻到GND
GND	O	接地
SW	I	开关节点，连接电感到VIN，同时用于开路LED保护的输出电压感测
VIN	I	输入电源引脚，连接2.7V至18V的电源电压
Thermal Pad	-	焊接到模拟接地平面，可使用热过孔连接到接地平面以实现理想的功率耗散

四、应用领域与典型电路

4.1 应用领域

TPS61160和TPS61161适用于多种移动设备，如手机、便携式媒体播放器、超移动设备和GPS接收器等，为其提供高质量的白色LED背光照明。

4.2 典型电路设计

文档中提供了多个典型应用电路示例，包括TPS61161驱动10个白色LED的电路、TPS61160驱动6个白色LED并带有外部PWM调光网络的电路等。在设计过程中，需要根据具体的应用需求选择合适的组件，如电感、肖特基二极管、补偿电容器和输入/输出电容器等。

• 电感选择：电感值会影响稳态运行、瞬态行为和环路稳定性，推荐使用10μH至22μH的电感，以优化效率并保持低电感峰 - 峰纹波。
• 肖特基二极管选择：由于芯片的高开关频率，需要选择具有高速整流能力的肖特基二极管，确保其平均和峰值电流额定值超过平均输出电流和峰值电感电流，同时反向击穿电压必须超过开路LED保护电压。
• 补偿电容器选择：连接从COMP引脚到GND的220nF陶瓷电容器可稳定反馈环路。
• 输入/输出电容器选择：输入侧推荐使用1μF至4.7μF的电容器，输出侧需要0.47μF至10μF的电容器，以满足输出纹波和环路稳定性的要求。

五、设计注意事项

5.1 电源供应

输入电源必须在2.7V至18V范围内，且要进行良好的调节，能够在负载瞬变（启动或快速亮度变化）时提供LED配置和所选电感所需的峰值电流，而不会出现电压降。输入电源轨的电阻应足够低，以确保输入电流瞬变不会使芯片的供电电压下降超过5%。

5.2 布局设计

布局对于开关电源的性能至关重要，特别是高频和高电流的应用。为了减少开关损耗和辐射问题，需要注意以下几点：

• 缩短SW引脚连接的所有走线长度和面积，使用接地平面以减少平面间耦合。
• 保持PWM开关、肖特基二极管和输出电容器组成的环路尽可能短。
• 输入电容器应靠近VIN和GND引脚，以减少电源纹波。

5.3 热考虑

在正常工作条件下，芯片的最大结温应限制在125°C以内，以确保其性能和可靠性。可以使用公式 (P{D(max )}=frac{125^{circ} C-T{A}}{R_{theta J A}}) 计算最大允许功率耗散，并将实际耗散保持在该值以下。同时，采用散热增强型WSON封装，将热焊盘焊接到PCB的模拟接地平面，并使用热过孔提高散热性能。

六、总结

TPS61160和TPS61161是两款功能强大、性能卓越的LED驱动芯片，为移动设备的LED照明提供了完整的解决方案。通过深入了解其特性、功能和设计注意事项，电子工程师可以更好地应用这两款芯片，实现高效、稳定的LED照明系统。在实际设计中，还需要根据具体的应用需求进行合理的组件选择和布局设计，以确保系统的最佳性能。大家在使用过程中遇到过哪些问题或者有什么独特的设计经验呢？欢迎在评论区分享交流。