TPS6115x 双输出升压 WLED 驱动器设计全解析

在电子设备的显示背光设计中，高效、稳定且灵活的 WLED 驱动器至关重要。TPS6115x 作为一款高性能的双输出升压 WLED 驱动器，为我们提供了出色的解决方案。今天，我们就来深入探讨一下 TPS6115x 的特性、应用以及详细的设计要点。

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一、TPS6115x 特性亮点

1. 宽输入输出范围

TPS6115x 支持 2.5 - 6V 的输入电压范围，每个输出最高可达 27V，这使得它能适应多种电源环境，为不同的 WLED 驱动需求提供了可能。

2. 强大的内部集成

集成了 0.7A 的开关和内置功率二极管，减少了外部元件的使用，简化了电路设计。同时，1.2MHz 的固定 PWM 频率，有效降低了输出纹波，避免了与脉冲频率调制（PFM）控制相关的可听噪声。

3. 灵活的输出控制

输出电流可单独编程，通过外部电阻就能轻松实现。还具备输入 - 输出隔离、内置软启动、过压保护等功能，不仅提高了系统的稳定性，还能保护 WLED 免受损坏。

4. 高效与调光能力

最高可达 83% 的效率，能有效降低功耗。并且支持最高 30kHz 的 PWM 调光频率，可实现对 WLED 亮度的精确控制。

二、广泛的应用场景

1. 翻盖手机显示

适用于翻盖手机的副显示屏和主显示屏背光，以及显示屏和键盘背光，为手机提供清晰、均匀的显示效果。

2. 多 WLED 驱动

最多可驱动 14 个 WLED，能满足大型显示屏的背光需求。

三、详细的设计要点

1. 输出电流计算

在设计中，我们需要根据具体需求计算最大输出电流。计算公式如下： [P=frac{1}{left[L timesleft(frac{1}{V{IOUT }+V{F}-V{IN}}+frac{1}{V{IN}}right) × F_{S}right]}] [OUTMAX =frac{V{IN } timesleft(I{LIM }-frac{I{P}}{2}right) × eta}{V{IOUT }}] 其中，(I{P}) 为电感峰 - 峰纹波，(L) 为电感值，(V{F}) 为功率二极管正向电压，(F{S}) 为开关频率，(V{IOUT }) 为升压输出电压，(I{LIM}) 为过流限制，(eta) 为效率。需要注意的是，TPS6115x 的过流限制会受到输入输出电压的影响，可参考典型过流限制图表，并考虑 ±25% 的公差。同时，电流吸收电路的电流能力也会限制最大输出电流，其设计最大电流为 35mA。

2. WLED 亮度调光

有三种调光方式可供选择：

• 并联电阻法：通过在 ISET 引脚电阻上并联额外电阻来改变输出电流，这种方法简单但调光步骤有限。
• PWM 调光法：在 SEL 引脚施加 PWM 调光信号，通过信号的占空比来调制输出电流。为避免 WLED 闪烁，PWM 信号频率要足够高。同时，为提高调光线性度，在 PWM 调光期间会禁用电流吸收电路的软启动。TPS6115x 还通过在 SEL 引脚为低电平时断开 WLED 与输出电容的连接，减少了 PWM 调光期间的电压纹波。最大 PWM 调光频率计算公式为： [F_{PWMMAX }=frac{D{MIN }}{T{ISINK }}] 其中，(D{MIN}) 为应用所需的最小 PWM 调光占空比。对于 20% 的 (D_{MIN})，PWM 调光频率最高可达 33kHz，可将噪声频率置于可听范围之外。
• 外部电压控制法：使用外部 DC 电压和电阻改变 ISET 引脚电流，从而控制输出电流。计算公式如下： [WLED =K{ISET } timesleft(frac{1.229}{R{ISET }}+frac{1.229-V{DC}}{R{1}}right) text{（DC 电压输入）}] [WLED =K{ISET } timesleft(frac{1.229}{R{ISET }}+frac{1.229-V{DC}}{R{1}+10 K}right) text{（PWM 信号输入）}] 其中，(K{ISET}) 为 ISET 引脚电流与 IFB 引脚电流之间的电流乘数，(V{DC}) 为 DC 电压源电压或 PWM 信号的 DC 电压。

3. 电感选择

电感是电源调节器设计的关键组件，其性能受电感值、直流电阻（DCR）和饱和电流的影响。一般建议将电感峰 - 峰纹波电流设置为直流电流的 30% - 40%，因此推荐 TPS6115x 使用 10μH 的电感。电感直流电流计算公式为： [LDC =frac{V{IOUT } × I{OUT }}{V{IN } × eta}] 计算时使用最大负载电流和最小 (V_{in})。电感值的公差会影响电路性能，当电感电流接近饱和水平时，电感值会下降。同时，电感的 DCR 会影响调节器效率，较低的 DCR 可提高效率，但要考虑 DCR 与电感尺寸的权衡。单输出应用推荐 DCR 在 250mΩ - 450mΩ 范围内的电感，双输出应用推荐 DCR 在 150mΩ - 350mΩ 范围内的电感。

4. 输入输出电容选择

输出电容主要用于减少转换器的输出纹波。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{left(V{IOUT }-V{IN }right) I{OUT }}{V{IOUT } × F{S} × V{RIPPLE }}] 其中，(V{RIPPLE }) 为峰 - 峰输出纹波。对于 (V{IN}=3.6V)，(V{IOUT }=20V)，(F{S}=1.2MHz)，0.1% 纹波（20mV）需要 1μF 的电容，陶瓷电容是较好的选择。ESR 引起的额外输出纹波可通过以下公式计算： [V{ripple ESR }=I{out } × R{ESR}] 陶瓷电容的 ESR 较低，可忽略 (V_{ripple ESR})，但使用钽电容或电解电容时需要考虑。在负载瞬变期间，较大的电容有助于减少电压过冲和下冲，提高环路稳定性。同时，要注意陶瓷电容的降额问题，必要时可使用多个小电容并联。

四、布局注意事项

1. 布局准则

PCB 布局对于开关电源的稳定性和电磁兼容性至关重要。对于 TPS6115x，应使用宽而短的走线用于高电流路径。输入电容要靠近 VIN 引脚和 GND 引脚，以减少输入纹波。电感可靠近器件放置，输出电容要靠近负载，以最小化纹波并最大化瞬态性能。信号地走线要短，并与功率地走线分开，最后在 PCB 上的单点连接。

2. 布局示例

提供了 TPS61150 的布局示例，可作为实际设计的参考。

五、总结

TPS6115x 以其出色的性能和丰富的功能，为 WLED 背光设计提供了高效、灵活的解决方案。在设计过程中，我们需要根据具体应用需求，合理选择电感、电容等元件，精心进行 PCB 布局，以确保系统的稳定性和性能。同时，要注意不同调光方式的特点和应用场景，以及元件参数的公差和降额问题。希望本文能为各位电子工程师在 TPS6115x 的设计应用中提供有价值的参考。你在使用 TPS6115x 过程中遇到过哪些问题呢？欢迎在评论区分享交流。