TPS65132：单电感双输出电源芯片的设计与应用

在电子设备的电源设计中，如何高效、稳定地提供正负电源是一个关键问题。德州仪器（TI）的TPS65132单电感双输出电源芯片为这一问题提供了出色的解决方案。本文将深入探讨TPS65132的特性、工作原理、设计要点以及应用场景，帮助电子工程师更好地理解和使用这款芯片。

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一、TPS65132概述

TPS65132系列专为正负驱动应用而设计，采用单电感方案为两个输出提供电源，具有小尺寸、低物料清单成本和高效率的特点。其输入电压范围为2.5V至5.5V，非常适合由单节电池（如锂离子、镍氢、锂聚合物电池）以及固定的3.3V和5V电源轨供电的产品。

主要特性

1. 宽输入电压范围：2.5V至5.5V，适应多种电源供电。
2. 可调输出电压：正输出电压 (V{POS}) 范围为4V至6V，负输出电压 (V{NEG}) 范围为 -6V至 -4V，步长均为0.1V。
3. 高效率：在输出电流 (I{OUT}>10mA) 时，效率大于85%；在 (I{OUT}>40mA) 时，效率大于90%。
4. 出色的性能：具有优秀的瞬态响应和1%的全温度范围输出电压精度。
5. I²C接口：支持可编程的电源上电/下电顺序、灵活的输出电压编程和可编程的有源输出放电。
6. 多种输出电流选项：最大输出电流有80mA和150mA可选。

应用领域

1. 中小型双极LCD显示器：如智能手机、平板电脑、相机、GPS、智能家居设备和可穿戴设备（智能手表、活动追踪器）等。
2. 通用分轨电源：适用于差分音频、耳机放大器、仪器仪表、运算放大器、比较器以及DAC/ADC等。

二、工作原理

整体架构

TPS65132通过同步升压转换器产生正电压，该电压由集成的LDO进行调节，提供正电源轨 (V{POS})。负电源轨 (V{NEG}) 则由集成的负电荷泵（CPN）从升压转换器的输出引脚REG驱动产生。

各模块功能

1. 欠压锁定（UVLO）：当VIN引脚电压超过UVLO阈值（最大2.5V）时，设备启用。只要使能信号未拉高，就不会产生输出电压。当 (V{IN}) 电压低于UVLO阈值时，设备及所有转换器（升压转换器、LDO、CPN）将被禁用。对于TPS65132Ax，当达到UVLO阈值时会启动40ms延迟，防止因 (V{IN}) 电压尖峰导致设备频繁启用和禁用。
2. 有源放电：可以对正轨和/或负轨进行有源放电编程（分别通过DISP和DISN位）。当使能信号拉低时，放电将在电源关闭时发生。
3. 升压转换器
   • 工作模式：采用电流模式拓扑，以约1.8MHz的准固定频率工作，可使用2.2µH或4.7µH的片式电感。根据负载电流，转换器可在连续导通模式（CCM）或脉冲频率调制模式（PFM）下工作，以提供最高效率。
   • 上电与软启动：当一个使能信号拉高且VIN引脚电压高于UVLO阈值时，升压转换器开始开关。对于TPS65132Ax，若在 (V_{IN}) 达到UVLO阈值时使能信号已拉高，则需经过40ms延迟后才开始开关。启动时采用集成的软启动，避免从电源汲取过多的浪涌电流。
   • 断电：当 (V_{IN}) 低于UVLO阈值或两个输出轨均禁用时，升压转换器停止开关。
   • 隔离：升压转换器输出（REG）与输入电源 (V_{IN}) 隔离，实现真正的关机。
   • 输出电压调整：根据编程的 (V{POS}) 和 (V{NEG}) 电压自动调整输出电压。
   • 轻载节能模式：集成电源节省模式，在轻载时提高效率。当电感电流达到0A时，转换器停止开关；当 (V_{REG}) 电压低于调节水平时，恢复开关活动。
4. LDO稳压器
   • 工作原理：通过调节升压转换器的输出电压（VREG）产生正电压轨 (V_{POS})，其固有的电源抑制比有助于过滤升压转换器的输出纹波，为显示源驱动IC等提供干净的电压。
   • 上电与软启动：当ENP信号拉高、 (V{IN}) 电压高于UVLO阈值且升压转换器达到其电源良好阈值时，LDO开始工作。启动时集成软启动，缓慢提升输出电压 (V{POS})。
   • 断电与放电：当 (V_{IN}) 低于UVLO阈值或ENP拉低时，LDO停止工作。正轨可在断电时主动放电至GND。
   • 隔离：在轨道未启用时，LDO将 (V{POS}) 轨道与 (V{REG}) 隔离，确保灵活的启动顺序。
   • 输出电压设置：通过I²C兼容接口可编程，范围为 -6.0V至 -4.0V，步长为100mV。
5. 负电荷泵
   • 工作原理：通过反转和调节升压转换器的输出电压（ (V{REG}) ）产生负电压轨 (V{NEG})。使用4个开关和一个外部飞跨电容来生成负轨。
   • 上电与软启动：当ENN信号拉高、 (V{IN}) 电压高于UVLO阈值且升压转换器达到其电源良好阈值时，CPN开始工作。启动时集成软启动，根据所选模式（40mA或80mA）、输出电压和输出电容值缓慢提升输出电压 (V{NEG})。
   • 断电与放电：当 (V_{IN}) 低于UVLO阈值或ENN拉低时，CPN停止工作。负轨可在断电时主动放电至GND。
   • 隔离：在轨道未启用时，CPN将 (V{NEG}) 轨道与 (V{REG}) 隔离，确保灵活的启动顺序。
   • 输出电压设置：通过I²C兼容接口可编程，范围为 -4.0V至 -6.0V，步长为100mV。

三、编程与寄存器配置

I²C接口

TPS65132通过行业标准的I²C兼容接口进行通信，以从机模式接收数据。它集成了非易失性存储器（EEPROM），可存储寄存器值，最多支持1000次编程周期。启动时，TPS65132首先将EEPROM内容加载到寄存器中，并使用这些电压启动。

寄存器映射

1. VPOS寄存器（地址：0x00）：用于设置正输出电压 (V_{POS})，通过5位二进制值进行调整，范围为4.0V至6.0V。
2. VNEG寄存器（地址：0x01）：用于设置负输出电压 (V_{NEG})，通过5位二进制值进行调整，范围为 -4.0V至 -6.0V。
3. DLYx寄存器（地址：0x02，仅适用于TPS65132Sx）：用于设置启动和关闭的延迟时间。
4. APPS - SEQU - SEQD - DISP - DISN寄存器（地址：0x03）：用于设置应用模式、启动和关闭的顺序以及正轨和负轨的放电功能。
5. 控制寄存器（地址：0xFF）：用于控制EEPROM数据的写入和读取。

四、应用设计

低电流应用（≤40mA）

TPS65132可以通过APPS位编程为40mA模式，适用于输出电流要求不超过40mA的应用。在这种模式下，负电荷泵的输出电流限制为40mA DC，以提供最高效率。 (V_{POS}) 轨无论模式如何，都可以提供高达200mA DC的电流。

设计要点

1. 电感选择：为了保持 (I{OUT}/Delta I{L}) 比例足够低，以实现正确的传感操作，建议在40mA模式下使用4.7µH的电感。
2. 电容选择：输入和输出电容建议使用低ESR陶瓷电容。输入电容最小为4.7µF，输出电容最小为4.7µF。飞跨电容最小为2.2µF，且在DC偏置电压为 (|V_{NEG}| + 300mV) 时，电容值应至少达到1µF。

中电流应用（≤80mA）

通过APPS位将TPS65132编程为80mA模式，可支持输出电流要求不超过80mA的应用。在这种模式下，负电荷泵的输出电流限制为80mA DC。

设计要点

1. 电感选择：为了保持 (I{OUT}/Delta I{L}) 比例足够低，建议在80mA模式下使用2.2µH的电感。
2. 电容选择：输入电容最小为4.7µF，输出电容最小为10µF。飞跨电容最小为4.7µF，且在DC偏置电压为 (|V_{NEG}| + 300mV) 时，电容值应至少达到2.2µF。

高电流应用（≤150mA）

TPS65132Sx版本在SYNC引脚拉高时， (V{POS}) 和 (V{NEG}) 均可提供高达150mA的输出电流。如果SYNC引脚拉低，可以通过APPS位将其编程为40mA或80mA模式，以降低 (V_{NEG}) 轨的输出电流能力。

设计要点

设计过程和物料清单与80mA模式相同。输出轨的启用和禁用通过EN引脚的外部逻辑信号控制，上电和下电顺序可编程。

五、布局建议

PCB布局在电源设计中至关重要，良好的PCB布局可以最小化EMI并实现良好的输出电压调节。对于TPS65132，建议遵循以下布局准则：

1. 电源接地平面：将电源接地平面置于顶层，所有电容接地和PGND引脚必须通过一个不间断的接地平面连接在一起。
2. 模拟地和电源地：AGND和PGND必须连接在同一接地平面上。
3. 飞跨电容：将飞跨电容尽可能靠近IC放置。
4. 过孔：尽量避免使用过孔，因为它们具有高电感和电阻。如果必须使用过孔，应并联使用多个过孔以减少寄生效应，特别是对于电源线。
5. REG引脚：将REG引脚连接在一起。
6. 高dv/dt信号：对于高dv/dt信号（开关引脚走线），尽量减小铜面积，以防止与其他走线或接地平面形成无意的平行板电容。最好在同一层上布线信号和返回路径。
7. 高di/dt信号：对于高di/dt信号，保持走线短、宽且间距紧密，以减少杂散电感并减小电流环路面积，有助于防止EMI。
8. 输入电容：将输入电容靠近IC放置，使用低电感走线。
9. 开关节点引脚到电感的走线：尽量缩短开关节点引脚到电感的走线，以减少EMI辐射和可能耦合到转换器其他部分的噪声。
10. 信号隔离：将模拟信号路径与电源路径隔离。

六、总结

TPS65132是一款功能强大的单电感双输出电源芯片，具有宽输入电压范围、高效率、出色的性能和灵活的编程能力。通过合理的设计和布局，可以在各种应用中实现稳定、高效的电源供应。电子工程师在使用TPS65132时，应根据具体应用需求选择合适的工作模式和组件，并遵循布局建议，以确保系统的性能和可靠性。你在使用TPS65132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。