深入解析TPS60231：高效白光LED电荷泵电流源

在电子设备的设计中，白光LED的应用越来越广泛，而如何为其提供稳定、高效的电源成为了工程师们关注的重点。今天，我们就来深入探讨德州仪器（TI）推出的TPS60231，一款专为白光LED供电优化的电荷泵电流源。

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1. 产品概述

TPS60231是一款具备PWM亮度控制功能的白光LED电荷泵电流源，适用于手机、智能手机、PDA、手持PC、数码相机和摄像机等设备的彩色显示屏背光，以及键盘背光等应用。它的主要特点包括：

• 精准的电流匹配：输出电流调节精度高，匹配度达0.4%，能确保多个LED亮度一致。
• 多LED驱动能力：可同时驱动多达3个LED，每个LED的电流可达25mA。
• PWM亮度控制：通过PWM控制信号实现LED亮度调节，灵活方便。
• 高效转换：采用1x和1.5x分数转换模式，提高电源转换效率。
• 宽输入电压范围：2.7V至6.5V的工作输入电压范围，适用于单节锂离子电池或3 - 4节镍镉、镍氢或碱性电池供电的应用。
• 低纹波和低EMI：内部软启动功能限制浪涌电流，降低输入纹波和电磁干扰。
• 多重保护：具备过流、过温保护和带迟滞的欠压锁定功能，提高系统可靠性。
• 小封装：采用超小的3mm x 3mm QFN封装，节省电路板空间。

2. 关键参数

2.1 绝对最大额定值

参数	数值	单位
电源电压（VI）	-0.3V至7V	V
EN1、EN2、VOUT、ISET引脚电压	-0.3V至VI	V
VOUT输出电流	150mA	mA
最大结温（TJ）	150°C	°C
工作环境温度（TA）	-40°C至85°C	°C
存储温度（Tst）	-65°C至150°C	°C

2.2 推荐工作条件

参数	最小值	典型值	最大值	单位
VIN电源电压	2.7	-	6.5	V
VOUT最大输出电流	75	-	-	mA
输入电容（C1）	1	-	-	μF
输出电容（Co）	0.47	1	-	μF
飞跨电容（C1、C2）	0.22	0.47	-	μF
工作结温	-40	-	125	°C

2.3 电气特性

在(V{1}=3.6V)，(EN1 = EN2 = V)，(T{A}=-40^{circ}C)至85°C的条件下，TPS60231具有以下电气特性：

• 电源电压和电流：输入电压范围为2.7V至6.5V，工作静态电流在不同模式下有所不同，如x1模式下为200μA，x1.5模式下为2.1mA，关机电流小于0.1μA。
• 电荷泵阶段：过压限制为5.5V，启动时间为375μs，软启动持续时间为160μs，开关频率为1MHz，效率可达83%。
• 电流沉：每个电流沉的推荐最大电流为25mA，当ISET引脚接地时为50mA，任意两个输出之间的电流匹配度为±0.4%，线路调整率为±3%。
• 使能引脚：EN1和EN2的高电平输入电压为1.3V，低电平输入电压为0.3V，具有50mV的迟滞。

3. 工作原理

TPS60231采用分数转换电荷泵为集成电流沉提供电源，通过自动在1x和1.5x模式之间切换，优化电源转换效率，延长电池使用时间。电荷泵可产生75mA的输出电流，每个LED输出可提供高达25mA的电流。LED的最大电流由连接到ISET引脚的电阻设置，该电阻编程一个参考电流，通过电流镜像来设置LED电流。

4. 设计要点

4.1 电容选择

推荐使用X5R或X7R等陶瓷电容，飞跨电容C1和C2应选用低ESR电容，以避免不必要的效率损失。低ESR的VOUT电容可降低电流源电源的纹波电压。

4.2 功率效率

TPS60231的功率转换效率可通过计算每个LED电流和电压的乘积之和，再除以输入电压和电流的乘积得到。在电池充满电时，输入电压通常高于LED正向电压，电荷泵工作在1x模式，效率很高；随着电池放电，当电流源无法维持恒定电流调节时，电荷泵切换到1.5x模式，转换效率在切换点最低；随着电池进一步放电，效率再次提高，在输入电压约为3.1V时达到第二个最大值。

4.3 功率耗散

TPS60231内部的最大功率耗散可根据公式(P{D max }=[(1.5 × V{1})-V{O}+0.4V] × I{O})计算，最大允许功率耗散可根据公式(P{D max, package }=frac{T{Jmax }-T{A}}{R{theta j a}})计算。

5. 应用案例

5.1 智能手机显示屏应用

当需要超过25mA的输出电流时，可将电流沉的输入引脚并联连接，这种方法也可用于连接只有两个连接点的LC显示屏。

5.2 模拟调光

ISET引脚可用于连接0mV至600mV的模拟直流信号，实现白光LED的模拟调光。输入电压为0V时，电流最大；输入电压为600mV时，LED电流为零。

5.3 混合LED应用

TPS60231可用于为各种类型的LED供电，也可混合使用白光LED和正向电压较低的彩色LED。具有最高正向电压的LED（通常为白光LED）应连接到D1，因为电荷泵的输出电压会调节以保持D1到GND的电压降为400mV。

6. 总结

TPS60231是一款功能强大、性能优异的白光LED电荷泵电流源，具有精准的电流控制、高效的功率转换、多重保护等特点，适用于多种电子设备的背光应用。在设计过程中，工程师需要根据具体应用需求，合理选择电容、计算功率效率和功率耗散，以确保系统的稳定性和可靠性。你在使用TPS60231的过程中遇到过哪些问题？又是如何解决的呢？欢迎在评论区分享你的经验。