TPS65177/A：全 I²C 可编程 6 通道 LCD 偏置 IC 的详细解析

在电子设备的设计中，LCD 面板的供电需求是一个关键环节。TPS65177/A 作为一款全 I²C 可编程的 6 通道 LCD 偏置 IC，为 GIP（Gate-in-Panel）或非 GIP TFT - LCD 面板提供了全面的供电解决方案。本文将对 TPS65177/A 的特性、功能、设计要点等方面进行详细解析。

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一、产品概述

TPS65177/A 能够为 GIP 或非 GIP TFT - LCD 面板提供所需的所有电源轨，所有输出电压均可通过 I²C 进行编程。它为 T - CON 提供 (V{(IO)}) 和 (V{(CORE)})，为源驱动器和伽马缓冲器提供 (V{(AVDD)}) 和 (V{(HAVDD)})，为栅极驱动器或电平转换器提供 (V{(GH)}) 和 (V{(GL)})。对于非 GIP 技术，实现了栅极脉冲调制（GPM）；对于 GIP 技术，(V{(GH)}) 轨可进行温度补偿。此外，还实现了 (V{(AVDD)}) 和 (V{(HAVDD)}) 的高压应力模式（HVS）以及集成的 (V{(AVDD)}) 隔离开关。

二、产品特性

（一）使能/禁用功能

• TPS65177：通过 (V_{1}) 电源循环实现使能/禁用。
• TPS65177A：可通过 (V_{1}) 电源循环或 EN 引脚实现使能/禁用。

（二）输入输出电压范围

• 非同步升压转换器 ((V_{(AVDD)}))：输入电压范围为 8.6 - 14.7V，输出电压范围为 13.5 - 19.8V（通过 I²C 编程），默认输出电压为 15V，开关电流限制为 4.25A（通过 I²C 编程），具备高压应力模式。
• 同步降压转换器 ((V_{(HAVDD)}))：输出电压范围为 4.8 - 11.1V（通过 I²C 编程），默认输出电压为 7.5V，开关电流限制为 1.7A，具备高压应力模式。
• 非同步降压转换器 ((V_{(IO)}))：输出电压范围为 2.2 - 3.7V（通过 I²C 编程），默认输出电压为 2.5V，开关电流限制为 3A。
• 同步降压转换器 ((V_{(CORE)}))：输出电压范围为 0.8 - 3.3V（通过 I²C 编程），默认输出电压为 1V，开关电流限制为 2.5A。
• 正电荷泵控制器 ((V_{(GH)}))：输出电压范围为 20 - 40V（通过 I²C 编程），默认输出电压为 28V，温度补偿偏移为 0 - 15V（通过 I²C 编程），默认偏移为 4V（28V 到 32V）。
• 负电荷泵控制器 ((V_{(GL)}))：输出电压范围为 - 14.5 - - 5.5V（通过 I²C 编程），默认输出电压为 - 7.9V。

（三）其他特性

• 栅极脉冲调制（GPM）：可通过 I²C 编程将其降至 0V、5V、10V 或 15V，默认放电电压为 0V。
• 温度补偿：为 (V_{(GH)}) 提供温度补偿。
• 热关断：防止因过热和功耗过大而损坏设备。
• I²C 兼容接口：方便与其他设备进行通信。
• EEPROM 存储器：可存储所需的输出电压水平。
• 封装：采用 6mm × 6mm × 1mm 的 40 引脚 VQFN 封装。

三、引脚配置与功能

TPS65177/A 采用 40 引脚 VQFN 封装，各引脚具有不同的功能。例如，INBK1 为 Buck 1 转换器 ((V_{(IO)})) 的电源引脚，SDA 和 SCL 为 I²C 数据和时钟引脚，HVS 为升压和 Buck 3 转换器的高压应力模式使能引脚等。在设计 PCB 时，需要根据引脚功能合理布局，确保信号传输的稳定性和可靠性。

四、规格参数

（一）绝对最大额定值

包括引脚电压、工作结温范围、存储温度范围等参数。例如，引脚电压在不同引脚有不同的最大和最小值限制，工作结温范围为 - 40 - 150°C，存储温度范围为 - 65 - 150°C。

（二）ESD 额定值

人体模型（HBM）为 ±2000V，带电设备模型（CDM）为 ±700V。

（三）推荐工作条件

涵盖输入电压范围、电容值、电感值等参数。例如，输入电压范围为 8.6 - 14.7V，不同转换器的输出电压范围和电感值也有相应的推荐值。

（四）热信息

包括结到环境、结到外壳、结到电路板的热阻等参数，这些参数对于散热设计至关重要。

（五）电气特性

详细列出了各转换器和控制器的参数，如开关频率、输出电压范围、输出电压容差、反馈输入偏置电流、MOSFET 导通电阻、MOSFET 电流限制等。

（六）I²C 接口时序特性

规定了 SCL 时钟频率、SCL 时钟的高低电平时间、总线空闲时间等参数，确保 I²C 通信的正常进行。

五、详细描述

（一）功能概述

TPS65177/A 的所有输出电压均可通过 I²C 编程，一个 BOM 可以覆盖多种面板类型和尺寸，所需的输出电压水平可在生产过程中进行编程并存储在非易失性集成存储器中。

（二）功能框图

展示了各个模块的连接和工作流程，包括欠压锁定、调节器、热关断、带隙、启动电路等。

（三）特性描述

1. 上电

当 (V{1}) 高于欠压锁定（UVLO）阈值时，设备将非易失性初始值寄存器中的存储值加载到易失性 DAC 寄存器中，然后按照一定的顺序启动各个转换器和控制器。不同型号（TPS65177 和 TPS65177A）在某些情况下的处理方式有所不同，例如当 EN 引脚未连接到 (V{1}) 时，TPS65177 检测到 (V{(AVDD)}) 电压崩溃后会进入部分关闭状态，只有电源循环才能重启相关电源轨；而 TPS65177A 在某些情况下可以不通过电源循环重启，但当 (V{(GL)}) 由升压开关引脚驱动时，EN 引脚应连接到 (V_{1})。

2. 下电

当 (V{1}) 低于 UVLO 阈值时，所有模块禁用，放电速率由输出负载和输出电容决定，栅极脉冲调制输出 (V{(GHM)}) 跟随 (V_{(GH)})。

3. 热关断

当温度超过 150°C 时，设备关闭，只有 (V_{1}) 低于 UVLO 阈值才能重置热关断。

4. 欠压锁定

当输入电压低于 8.3V 时，设备关闭，避免误操作。

5. 短路和过载保护

不同的转换器和控制器在输出电压低于一定比例（40% 或 80% 标称值）或持续时间过长时，会进入关闭状态，且只有触发 UVLO 才能再次启用设备。

（四）设备功能模式

1. 升压转换器 ((V_{(AVDD)}))

采用准同步电流模式，固定频率为 750kHz，通过外部 RC 电路进行补偿。具有软启动功能，包括输入 - 输出隔离开关软启动和升压转换器软启动。输出电压可通过 I²C 在 13.5 - 19.8V 之间以 100mV 步长编程，还具备高压应力模式和可编程电流限制。在设计时，需要根据应用需求计算转换器占空比、电感纹波电流、最大输出电流和峰值开关电流等参数，并合理选择电感、整流二极管和输出电容。

2. Buck 1 转换器 ((V_{(IO)}))

非同步电流模式，固定频率为 750kHz，根据负载电流可工作在不连续导通模式（DCM）或连续导通模式（CCM）。具有软启动功能，输出电压可通过 I²C 在 2.2 - 3.7V 之间以 100mV 步长编程。设计时同样需要计算相关参数，并选择合适的电感、整流二极管和输出电容。

3. Buck 2 转换器 ((V_{(CORE)}))

同步电流模式，采用脉冲频率调制（PFM），固定关断时间，典型频率为 1MHz。可通过 I²C 禁用，具有软启动功能，输出电压可通过 I²C 在 0.8 - 3.3V 之间以 100mV 步长编程。设计时需计算开关频率、转换器占空比、电感纹波电流、最大输出电流和峰值开关电流等参数，并选择合适的电感和输出电容。

4. Buck 3 转换器 ((V_{(HAVDD)}))

同步电流模式，采用脉冲频率调制（PFM），固定关断时间，典型频率为 1MHz。可通过 I²C 禁用，与升压转换器一起启用，输出电压可通过 I²C 在 4.8 - 11.1V 之间以 100mV 步长编程，具备高压应力模式。设计时需计算相关参数，并选择合适的电感和输出电容。

5. 正电荷泵控制器 ((V_{(GH)}))

由升压转换器的开关节点驱动，通过控制外部 PNP 晶体管的电流进行调节，具备温度补偿功能，输出电压和温度补偿水平可通过 I²C 编程。设计时需要计算支持的最大输出电压，选择合适的二极管、晶体管、基极 - 发射极电阻、飞跨电容、开关节点电阻和输出电容。

6. 负电荷泵控制器 ((V_{(GL)}))

通常由 Buck 1 转换器的开关节点驱动，也可连接到升压转换器的开关节点，通过控制外部 NPN 晶体管的电流进行调节，可通过 I²C 禁用。设计时需要计算支持的最大输出电压，选择合适的二极管、晶体管、基极 - 发射极电阻、飞跨电容、开关节点电阻和输出电容。

7. 栅极脉冲调制 ((V_{(GHM)}))

由 CTRL 引脚控制，在启动和关闭期间有特定的状态。可通过 I²C 禁用，放电斜率由外部电阻、内部 MOSFET (R_{DS(ON)}) 和栅极线电容决定，还可通过 I²C 编程设置限制电压。

（五）编程

1. I²C 串行接口描述

TPS65177/A 通过行业标准的 2 线 I²C 接口进行通信，支持标准模式（100kbps）和快速模式（400kbps），采用 7 位寻址。通信过程包括起始条件、地址传输、数据传输和停止条件，设备通过应答信号确认通信。

2. 存储器描述

包含非易失性 EEPROM（初始值寄存器 IVR）和易失性存储器（DAC 寄存器 DR），通过控制寄存器（CR）选择访问 IVR 或 DR。

3. 读写描述

读取易失性存储器（DR）数据时，CR 的 LSB（EE/DR）需设置为 0；读取非易失性 EEPROM（IVR）数据时，CR 的 LSB 需设置为 1。写入非易失性 EEPROM 时，需先编程所有数据寄存器，然后将 CR 的 MSB（WED）设置为 1，写入过程有 50ms 的死区时间。

4. 读写操作

详细介绍了写入单个字节到 DAC 寄存器、写入多个字节到 DAC 寄存器、将所有 DAC 寄存器数据写入 EEPROM、读取单个数据从 DAC 寄存器、读取多个数据从 DAC 寄存器、读取单个数据到 EEPROM 和读取多个数据到 EEPROM 的操作步骤和示例。

（六）寄存器映射

列出了各个寄存器的名称、地址、工厂值、位计数和步数计数，以及不同 DAC 值对应的输出电压等信息，方便工程师进行编程和配置。

六、应用与实现

（一）应用信息

提供了一个典型的应用电路，适用于为 GIP 或非 GIP 技术的 LCD 面板供电。

（二）典型应用

1. 设计要求

给出了设计示例的参数，如电压、开关频率等。

2. 详细设计步骤

可参考设备功能模式部分的详细设计步骤。

3. 应用曲线

展示了各个转换器和控制器在不同条件下的效率、PWM 开关波形和负载瞬态响应等曲线，帮助工程师了解设备的性能。

（三）系统示例

给出了 (V_{(GH)}) 温度补偿禁用和栅极脉冲调制禁用的系统示例电路，以及输入电容的选择建议。

七、电源供应建议

设备设计用于 8.6 - 14.7V 的输入电源，为了实现设备的最佳性能，输入电源应稳定且无噪声。

八、布局设计

（一）布局指南

在 PCB 布局时，需要考虑将红色标记的组件尽可能靠近设备放置，保持红色线路短；加粗的线路表示高电流，应在 PCB 上使用较宽的走线；输入电容应尽可能靠近 IC；对于 (V{(AVDD)}) 和 (V{(IO)}) 等线路，应保持短且低电阻；补偿网络应靠近 IC 并通过短线路连接到 COMP 和 AGND；反馈线路应远离开关走线，避免噪声耦合；电感可放置在离 IC 较远的位置以减少发热；所有 IC 接地（AGND、PGNDx）应连接到外露热焊盘；尽量避免在电源线中使用过孔；外露热焊盘应焊接到大面积的接地冷却区域，并使用尽可能多的过孔以保持设备凉爽；热敏电阻 NTC 应远离热源，放置在 PCB 的最冷点以准确测量环境温度。

（二）布局示例

提供了一个布局示例图，展示了各个组件的布局方式。

九、设备与文档支持

（一）相关链接

提供了技术文档、支持和社区资源、工具和软件以及样品购买等方面的快速访问链接。

（二）第三方产品免责声明

TI 对第三方产品或服务的信息发布不构成对其适用性的认可或担保。

（三）社区资源

包括 TI E2E™ 在线社区和设计支持，方便工程师交流和获取帮助。

（四）商标

E2E 是德州仪器的商标，其他商标归各自所有者所有。

（五）静电放电注意事项

这些设备的内置 ESD 保护有限，在存储或处理时应将引脚短路或放置在导电泡沫中，以防止 MOS 栅极受到静电损坏。

（六）术语表

提供了相关术语、首字母缩写词和定义的解释。

十、机械、封装和可订购信息

详细列出了不同型号的可订购部件编号、状态、材料类型、封装、引脚数、封装数量、载体、RoHS 合规性、引脚镀层/球材料、MSL 评级/峰值回流温度、工作温度和部件标记等信息，以及包装材料的尺寸和相关说明。

综上所述，TPS65177/A 是一款功能强大的 LCD 偏置 IC，为 LCD 面板的供电提供了全面的解决方案。在设计过程中，工程师需要根据具体的应用需求，合理选择参数、进行布局设计，并注意编程和操作的细节，以确保设备的正常运行和性能优化。你在实际应用中是否遇到过类似芯片的使用问题呢？欢迎在评论区分享你的经验和见解。