深入解析 TPS65133：±5-V、250-mA 双输出电源芯片

在电子设计领域，电源管理芯片的性能直接影响着整个系统的稳定性和效率。今天我们要深入探讨的就是德州仪器（TI）推出的 TPS65133，一款专为需要 ±5.0-V 电源轨的系统而设计的双输出电源芯片。

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一、芯片概述

TPS65133 集成了一个升压转换器和一个反相降压 - 升压转换器，能够分别提供固定的 +5.0 V 和 -5.0 V 输出电压，每个输出的电流能力最高可达 250 mA。其输入电压范围为 2.9 V 至 5.0 V，适用于锂离子电池供电或 3.3-V 固定电源供电的应用场景。在大多数应用中，该芯片的效率通常超过 90%，并且两个转换器独立工作，允许正、负输出电流之间存在 100% 的不匹配。

二、主要特性

（一）输入输出特性

• 输入电压范围：2.9-V 至 5.0-V 的输入电压范围，使其能够灵活适应不同的电源供电，如锂离子电池或 3.3-V 固定电源。
• 输出电压精度：固定的 +5.0 V 和 -5.0 V 输出电压，且输出电压精度为 ±1%，为系统提供了稳定的电源。

（二）性能特性

• 高效率：在大多数应用中效率通常超过 90%，能够有效降低功耗，延长电池续航时间。
• 高输出电流能力：每个输出可提供高达 250 mA 的输出电流，满足大多数负载的需求。
• 独立转换器操作：两个转换器独立工作，允许正、负输出电流之间存在 100% 的不匹配，增加了设计的灵活性。
• 出色的瞬态响应：具有良好的线路和负载瞬态响应，能够快速响应负载变化，保证输出电压的稳定性。
• 低输出噪声：工作在连续导通模式（CCM）下，可将输出噪声降至最低。
• 宽输入电压适应性：升压转换器能够在接近 5.0 V 的输入电源电压下工作。

（三）保护特性

• 短路保护：当检测到输出短路时，芯片会限制输出电流，保护芯片和负载免受损坏。
• 热关断：当芯片的结温超过 135°C（典型值）时，会自动进入热关断状态，防止芯片因过热而损坏。

三、应用领域

TPS65133 的应用非常广泛，常见的应用场景包括：

• LCD 偏置：为 LCD 显示屏提供稳定的偏置电压，确保显示屏的正常显示。
• AMOLED 电源：满足 AMOLED 显示屏对电源的要求，提供稳定的正、负电源。
• 运算放大器电源：为运算放大器提供稳定的电源，保证其性能的稳定。
• 耳机放大器电源：为耳机放大器提供合适的电源，提升音频质量。
• 传感器前端电源：为传感器前端电路提供稳定的电源，确保传感器的准确测量。
• 数据采集电源：为数据采集系统提供稳定的电源，保证数据采集的准确性。
• 通用 ±5-V 电源：可作为通用的 ±5-V 电源，为各种需要该电压的电路供电。

四、典型应用电路

TPS65133 的典型应用电路如图所示，通过合理选择外部元件，可以实现从 2.9 V 至 5.0 V 的输入电压转换为 ±5 V、250 mA 的输出。

（一）设计要求

• 输入电压范围：2.9 V 至 5.0 V
• 输出电压：±5.0 V
• 开关频率：1.7 MHz

（二）元件选择

• 电感：推荐使用 4.7 µH 的电感，如 Coilmaster 的 MMPP252012 - 4R7N、Toko 的 1239AS - H - 4R7M 等。不同的电感值可能会影响芯片的性能，因此在使用不同电感值时，需要进行充分的性能测试。
• 电容：C1、C2、C3 推荐使用 10 µF 的电容，C4 推荐使用 100 nF 的电容。减少电容值可能会导致输出电压纹波增加，因此在设计时需要根据实际需求进行选择。

五、详细功能解析

（一）升压转换器（VPOS）

• 开关频率：开关频率通常约为 1.7 MHz，会随着工作条件的变化而略有波动。
• 输出电压：输出电压工厂编程为 5.0 V ±1.0%，用户无法更改。
• 启动：当 EN 引脚为高电平且输入电源电压高于欠压锁定（UVLO）阈值时，升压转换器启动，并具有集成的软启动功能，以控制输出电压的上升。
• 关断：当 EN 引脚为低电平或输入电源电压低于 UVLO 阈值时，升压转换器关断。
• 主动放电：当转换器禁用时，输出会主动放电到地。在启动时，当输入电源电压高于 UVLO 阈值时，主动放电开始；在关断时，主动放电持续到输入电源电压过低无法支持其工作（约 1.5 V）。
• 短路保护：在启动过程中检测到短路时，转换器会限制输出电流，直到短路条件消除。在正常工作时，如果 VPOS < 4.1 V 持续超过 3 ms，则检测到短路，此时 VPOS 和 VNEG 都会被禁用，芯片进入关断状态。恢复正常工作需要将 EN 引脚拉低再拉高，或循环输入电源电压。

（二）反相降压 - 升压转换器（VNEG）

• 开关频率：开关频率约为 1.7 MHz，会随工作条件变化而略有波动。
• 输出电压：输出电压工厂编程为 -5.0 V ±1.0%，用户无法更改。
• 启动：在升压转换器输出达到 5.0 V 后约 2 ms 启动，启动时开关电流受限，输出电压以受控方式上升。
• 关断：当 EN 引脚为低电平或输入电源电压低于 UVLO 阈值时，反相降压 - 升压转换器关断。
• 主动放电：与升压转换器类似，当转换器禁用时，输出会主动放电到地。
• 短路保护：在启动过程中检测到短路时，转换器会限制输出电流，直到短路条件消除。在正常工作时，如果 VNEG > -4.5 V 持续超过 3 ms，则检测到短路，此时 VPOS 和 VNEG 都会被禁用，芯片进入关断状态。恢复正常工作需要将 EN 引脚拉低再拉高，或循环输入电源电压。

（三）启动和关断时序

TPS65133 的启动和关断时序如图所示，通过合理的时序控制，确保芯片的稳定工作。

（四）热关断功能

芯片具有热关断功能，当结温超过 135°C（典型值）时，芯片会进入关断状态，以防止过热损坏。恢复正常工作需要将 EN 引脚拉低再拉高，或循环输入电源电压。

六、设计建议

（一）电源供应

TPS65133 设计用于 2.9 V 至 5.0 V 的输入电源电压。如果输入电源与芯片之间的距离超过几厘米，可能需要额外的大容量电容来稳定电源。

（二）布局设计

• 布线：尽量使用短而宽的走线在顶层路由不连续的开关电流，避免通过过孔布线，因为过孔具有较高的寄生电感和电阻。
• 电容放置：将 C1 尽可能靠近引脚 12，C2 尽可能靠近引脚 3，C3 尽可能靠近引脚 9。
• 接地：使用外露的散热焊盘连接 GND、AGND 和 PGND，并使用铜箔（最好在第二层）作为散热片，通过多个散热过孔将其连接到外露的散热焊盘。

七、总结

TPS65133 是一款性能出色的双输出电源芯片，具有高效率、高输出电流能力、独立转换器操作、出色的瞬态响应和多种保护功能等优点。在实际应用中，通过合理选择外部元件和优化布局设计，可以充分发挥其性能，为各种需要 ±5-V 电源轨的系统提供稳定可靠的电源解决方案。你在使用 TPS65133 过程中遇到过哪些问题呢？欢迎在评论区分享交流。