TPS65154：一款集成度极高的LCD偏置解决方案

在当今的电子设备中，LCD显示屏的应用无处不在，从笔记本电脑到平板电脑，都离不开LCD提供的视觉交互体验。而TI推出的TPS65154正是一款专门为LCD偏置和背光功能设计的集成电路，它集成了丰富的功能，能有效简化设计并提高系统性能。今天，咱们就来深入了解一下这款芯片。

文件下载：tps65154.pdf

一、产品概述

TPS65154是一款紧凑的LCD偏置解决方案，主要应用于笔记本电脑和平板电脑。它集成了多种功能单元，包括两个升压转换器、一个线性稳压器、一个可编程VCOM校准器、一个门电压整形功能以及一个6通道WLED驱动器。这种高度集成的设计减少了外部元件的使用，降低了设计复杂度和成本。

1.1 产品特性

• 宽输入电压范围：支持2.0V至5.5V的输入电压，适用于多种电源系统。
• 多类型转换器：包含同步升压转换器（AVDD）、非同步升压转换器（VGH）、负电荷泵（VGL）和低压差线性稳压器（VCC），能满足LCD不同部分的供电需求。
• 可编程VCOM校准器：集成缓冲放大器，可灵活调整VCOM电压。
• 6通道WLED驱动器：支持直接调光和相移调光模式，能实现精确的背光控制。
• 其他功能：具备门电压整形、面板复位信号（XAO）、T-CON复位信号（RST）、片上EEPROM以及I²C接口等。

1.2 应用场景

主要用于笔记本电脑和平板电脑，为LCD显示屏的正常工作提供必要的偏置电压和背光驱动。

1.3 产品描述

该芯片集成了LCD偏置和背光所需的各种功能。通过两个升压转换器为LCD面板的源极驱动器和栅极驱动器供电，线性稳压器为系统逻辑电压供电，可编程VCOM配合高速放大器提供精确的VCOM电压，门电压整形功能可减少图像残留，6通道WLED驱动器则为LCD提供均匀的背光。

二、引脚配置与功能

TPS65154采用48引脚、6mm×6mm、0.4mm间距的VQFN封装。每个引脚都有其特定的功能，下面列举一些关键引脚：

• VIN：正电源输入引脚，为芯片提供电源。
• AVDD：升压转换器1的输出电压检测和整流输出引脚。
• VCC：线性稳压器的输出引脚，为系统逻辑部分提供稳定电压。
• VGH和VGL：分别为正、负电压输出引脚，为LCD面板的栅极驱动器提供所需电压。
• VCOM：可编程VCOM缓冲器的输出引脚，用于调整LCD面板的公共电压。
• IFB1 - IFB6：WLED驱动器的通道输出引脚，用于控制6通道的WLED背光。
• SCL和SDA：I²C接口的时钟和数据线，用于配置芯片参数。

三、规格参数

3.1 绝对最大额定值

芯片引脚的电压和电流都有其绝对最大额定值，超过这些值可能会对芯片造成永久性损坏。例如，VIN引脚的电压范围为 - 0.3V至7V，VGL引脚的电压范围为 - 10V至0.3V等。在设计时，必须确保电路中的电压和电流不超过这些额定值。

3.2 ESD额定值

该芯片的人体模型（HBM）ESD额定值为2000V，带电设备模型（CDM）ESD额定值为700V。这意味着在处理和使用芯片时，需要采取适当的防静电措施，以避免ESD对芯片造成损坏。

3.3 推荐工作条件

为了确保芯片的正常工作和性能，需要在推荐的工作条件下使用。例如，VIN的正常工作电压范围为2.0V至5.5V，EEPROM编程时的电压范围为2.6V至5.5V等。每个功能模块都有其相应的输出电压、电流和电容等参数要求。

3.4 热信息

芯片的热性能对于其稳定性和可靠性至关重要。TPS65154给出了多种热参数，如结到环境的热阻（RθJA）为29.8°C/W，结到板的热阻（RθJB）为5.2°C/W等。在设计PCB时，需要考虑散热问题，以确保芯片在正常的温度范围内工作。

3.5 电气特性

芯片的电气特性描述了其在不同条件下的性能表现。例如，线性稳压器（VCC）的输出电压公差为±3%，升压转换器1（AVDD）的输出电压范围为6.5V至9.6V，负电荷泵（VGL）的输出电压范围为 - 5V至 - 8V等。这些特性对于电路的设计和优化非常重要。

3.6 时序要求

每个功能模块都有其特定的启动延迟时间、软启动持续时间和开关频率等时序要求。例如，线性稳压器的启动延迟时间（tDLY1）范围为0至75ms，升压转换器1的软启动持续时间（tSS2）范围为0.5至75ms等。在设计电路时，需要严格按照这些时序要求进行配置，以确保芯片的正常工作。

四、详细功能描述

4.1 线性稳压器（VCC）

线性稳压器直接由VIN引脚供电，其输出电压可通过VCC寄存器编程为1.0V、1.2V、1.89V或2.5V。在电源电压超过欠压锁定阈值后，线性稳压器开始工作，且没有软启动功能，其输出电压会根据电源电压的上升率和输出电容快速上升。当电源电压低于欠压锁定阈值时，线性稳压器关闭，VCC会主动放电。该稳压器还具备短路和欠压保护功能，当输出电压低于设定值的70%且持续时间超过50ms时，判定为欠压故障，芯片将被禁用；当输出电压低于设定值的30%时，判定为短路故障，芯片立即禁用。

4.2 升压转换器1（AVDD）

升压转换器1采用同步和虚拟电流模式拓扑，具有高效率、可在连续导通模式下工作以及在禁用时提供真正的输入 - 输出隔离等优点。其开关频率可通过FSW1寄存器编程为400kHz、600kHz、800kHz或1MHz，输出电压可在6.5V至9.6V之间以100mV的步长进行编程。该转换器通过连接到COMP1引脚的外部补偿网络来稳定反馈环路，在一些应用中，可能需要在COMP1引脚和地之间添加额外的补偿电容。在启动时，转换器会在RST信号变高后延迟tDLY2毫秒开始工作，并在tSS2毫秒内逐渐升高输出电压，以减少启动时的浪涌电流。当VIN低于欠压锁定阈值时，转换器禁用，并主动放电AVDD。同时，该转换器也具备短路和欠压保护功能。

4.3 升压转换器2（VGH）

升压转换器2采用非同步和恒定关断时间拓扑，其开关频率会根据VIN和VGH自动调整。该转换器采用峰值电流控制，设计为永久在不连续导通模式（DCM）下工作，以确保在宽范围的输出电压和电流下稳定运行。其输出电压可通过VGH寄存器在18V至25.5V之间进行编程。在VGL电压下降完成后，转换器开始工作，并在tSS4秒内将VGH线性升高到设定值。当VIN低于欠压锁定阈值时，转换器禁用，但其输出不会主动放电。同样，该转换器也具备短路和欠压保护功能。

4.4 负电荷泵（VGL）

负电荷泵将AVDD反相并将其输出调节到VGL寄存器设定的电压值，VGL可在 - 5V至 - 8V之间以0.2V的步长进行编程。但由于负电荷泵是通过反相AVDD来生成输出电压，实际可生成的最负电压约为 - AVDD + 1V。该电荷泵完全集成，只需两个外部电容即可工作。在升压转换器1开始工作后延迟tDLY3毫秒开始工作，并在tSS3毫秒内将输出电压从0线性升高到设定值。当电源电压低于欠压锁定阈值时，电荷泵禁用，其输出会主动放电到地。该电荷泵也具备短路和欠压保护功能。

4.5 门电压整形

门电压整形功能可通过调制LCD面板的栅极导通电压（VGH）来减少图像残留。该功能由FLK输入控制，当FLK为高电平时，VGHM等于VGH；当FLK下降沿到来时，连接到VGHM引脚的LCD面板负载会通过连接到RE引脚的外部电阻放电。在电源启动时，VGHM引脚会被拉低到地，直到升压转换器2完成升压后延迟tDLY4毫秒；在电源关闭时，Q1保持导通，Q2、Q3和Q4保持关闭。

4.6 面板放电（XAO）

TPS65154通过XAO引脚提供一个输出信号，可在电源关闭时将显示面板的栅极驱动器IC的输出拉高。当VIN低于VDET阈值时，XAO引脚被拉低，VDET阈值可通过VDET寄存器进行配置。XAO输出为开漏类型，需要外部上拉电阻，阻值通常在10kΩ至100kΩ之间。

4.7 复位发生器（RST）

RST引脚为系统的其他部分生成一个低电平有效复位信号。在电源启动时，当VCC完成升压后，复位定时器开始计时，复位脉冲持续时间tRST可通过RESET寄存器在0至15ms之间进行编程。RST信号变高后会被锁存，直到设备断电才会再次变低。有源断电阈值（VUVLO或VDET）可通过CONFIG寄存器中的RMODE位进行选择。RST输出为开漏类型，需要外部上拉电阻，阻值推荐在10kΩ至100kΩ之间。

4.8 可编程VCOM

可编程VCOM使用三个数模转换器（DAC）生成VCOM电压，然后通过高速运算放大器进行缓冲。VCOM的最大值由4位VMAX寄存器设定，取值范围为2.5/8 × AVDD至4/8 × AVDD；最小值由4位VMIN寄存器设定，取值范围为2/8 × AVDD至3.5/8 × AVDD，且VMAX必须大于VMIN。通过编程7位VCOM参数，用户可以在VMIN和VMAX之间调整VCOM电压。该功能有三个寄存器：易失性Wiper寄存器（WR）、非易失性初始值寄存器（IVR）和控制寄存器（CR）。CR寄存器决定数据是写入或读取WR、IVR还是两者。

4.9 WLED驱动器

4.9.1 WLED升压转换器

WLED升压转换器将4.5V至24V的电源V BAT升压到更高的电压，为连接到WLED驱动器的LED灯串供电。它采用固定频率、电流模式拓扑，输出电压会自动调整，以保持最低反馈电压（IFB1至IFB6）在450mV至750mV之间，从而确保输出电流吸收器有足够的裕量，同时避免芯片消耗过多的功率。该转换器的开关频率可通过FSW3寄存器编程为400kHz、600kHz、800kHz或1MHz。此外，该转换器还具有软启动电路，可限制启动时的浪涌电流。

4.9.2 电流吸收器

LED灯串的亮度由每个灯串的平均电流决定，而平均电流是输出占空比和电流吸收器输出电流的乘积。所有电流吸收器的输出电流相同，由连接在ISET引脚和地之间的外部电阻设定。当TPS65154检测到某个IFB引脚没有电流时，会判定该灯串开路，并自动禁用该输出通道，随后WLED升压转换器会根据剩余的工作灯串来调节输出电压。

4.9.3 保护功能

WLED升压转换器和调光电路具备多种保护方案，如输出过压保护、开关过流保护、所有LED灯串开路保护、单个LED灯串开路或短路保护等，以确保在各种故障模式下可靠运行。

4.9.4 使能和启动

WLED驱动器由EN信号控制使能和禁用，但该信号在LCD偏置功能完成启动序列之前无效。在POR之后，EN信号在tDLY4完成之前无效，之后可以随时使用EN信号和PWM信号来使能和禁用WLED驱动器。在不产生EN信号的应用中，可将EN引脚连接到VIN，此时WLED驱动器会在tDLY4结束时自动启动。需要注意的是，永久的低电平PWM信号（0%占空比）会阻止升压转换器3启动。

4.10 欠压锁定

欠压锁定功能可在电源电压过低时禁用芯片，以确保芯片在合适的电压下工作，避免出现异常。

五、设备功能模式

5.1 调光模式

TPS65154支持直接调光和相移调光两种模式。可通过CONFIG寄存器中的DMODE位选择当前的调光模式。

• 直接调光：在直接调光模式下，输出电流吸收器直接由PWM信号控制，它们会以与PWM信号相同的频率和占空比同时开启和关闭。
• 相移调光：在相移调光模式下，输出调光频率与PWM信号的频率无关，可通过FDIM寄存器在15kHz至22kHz之间独立编程。在该模式下，PWM信号中的占空比信息会被提取并用于生成多达六个输出，这些输出以FDIM寄存器设定的频率输出，且彼此之间相移360°/N（N为正在使用的输出通道数）。这种相移输出可以减少升压转换器输出的最大负载电流阶跃，从而降低电压纹波和可听噪声。

5.2 电源排序

5.2.1 上电过程

上电时，各部分按照一定的顺序启动：VCC在VIN超过欠压锁定阈值tDLY1秒后开始升压；RST信号初始为低电平，在VCC完成升压后tRST秒变为高电平；AVDD在RST变高后tDLY2秒开始升压；VGL在AVDD开始升压后tDLY3秒开始升压；VGH在VGL完成升压后开始升压；VGHM初始为低电平，在VGH完成升压后tDLY4秒，门电压整形功能启用，VGHM跟随FLK的状态；XAO初始为低电平，在VIN超过VDET阈值后tDLY6秒变高；WLED驱动器在AVDD完成升压且EN信号有效时被启用。

5.2.2 下电过程

下电时，当VIN低于欠压锁定阈值时，VCC、AVDD、VGH和VGL禁用；当VIN低于XAO和RST信号选择的阈值时，XAO和RST信号变低；当EN = 0或VIN低于欠压锁定阈值时，WLED驱动器关闭。

六、编程配置

6.1 配置分类

TPS65154将配置参数分为两类：配置参数和VCOM。在典型应用中，除VCOM外的所有配置参数通常由分包商在PCB组装期间进行编程，而VCOM则由显示制造商在显示校准期间进行编程。

6.2 I²C接口

该芯片采用行业标准的I²C接口，支持标准和快速模式操作。配置参数的访问地址为74h，VCOM的访问地址为28h。同时，芯片还提供了写保护功能，通过WP引脚防止配置参数被意外更改。WP引脚内部上拉，需要主动拉低才能访问EEPROM或RAM寄存器。写保护功能可通过CONFIG寄存器中的WPEN位进行启用和禁用。

6.3 编程示例

文档中详细给出了多种编程示例，包括向单个RAM寄存器写入数据、向多个RAM寄存器写入数据、将所有RAM寄存器的内容保存到EEPROM、从单个RAM寄存器读取数据、从单个EEPROM寄存器读取数据、从多个RAM寄存器读取数据以及从多个EEPROM寄存器读取数据等操作的具体步骤和信号时序。这些示例为工程师进行芯片配置提供了详细的指导。

6.4 寄存器映射

6.4.1 配置寄存器（不包括VCOM）

文档中列出了多个配置寄存器，每个寄存器都有其特定的功能和位分配。例如，CONFIG寄存器用于设置各种配置位，如禁用某些转换器、启用或禁用写保护功能、选择调光模式和复位阈值等；VCC寄存器用于设置线性稳压器的输出电压；DLY1寄存器用于设置线性稳压器的启动延迟时间等。通过对这些寄存器进行编程，可以实现对芯片各种功能的灵活配置。

6.4.2 VCOM寄存器

VCOM寄存器包括VCOM DATA寄存器和VCOM CONTROL寄存器。VCOM DATA寄存器用于设置VCOM电压的值；VCOM CONTROL寄存器为只写寄存器，通过其中的SEL位可以决定对VCOM DATA寄存器的读写操作是访问IVR、WR还是两者。

七、应用与实现

7.1 应用信息

TPS65154主要用于笔记本电脑和平板电脑应用，需要两个电源电压：一个用于LCD偏置功能的3.3V或5V稳压电源，以及一个直接连接到电池的电源，用于WLED驱动器功能。芯片的配置参数通过I²C接口设置，并存储在片