深度解析 TPS65631：AMOLED 显示电源的理想之选

在电子设备的电源管理领域，为 AMOLED 显示屏提供稳定且高效的电源解决方案至关重要。德州仪器（TI）的 TPS65631 双输出 AMOLED 显示电源便是这样一款性能卓越的产品，下面我们就来详细了解一下。

文件下载：tps65631.pdf

一、TPS65631 产品概述

TPS65631 专为驱动需要正负电源轨的 AMOLED（有源矩阵有机发光二极管）显示屏而设计。它集成了一个用于 (V{POS}) 的升压转换器和一个用于 (V{NEG}) 的反相降压 - 升压转换器，非常适合电池供电的产品。其数字控制引脚（CTRL）允许以数字步长对负输出电压进行编程，并且采用了一种新颖的技术，可实现出色的线路瞬态性能。

二、产品特性亮点

（一）输入输出特性

1. 输入电压范围：支持 2.9 - 4.5V 的输入电压，能适应多种电源环境。
2. 正输出电压：固定为 4.6V，在 25°C 至 85°C 的温度范围内，(V_{POS}) 精度可达 0.5%，确保了输出的稳定性。
3. 负输出电压：可通过数字方式在 -1.4V 至 -4.4V 之间进行编程，默认值为 -4V，满足不同 AMOLED 显示屏的需求。
4. 输出电流：能够支持高达 250mA 的输出电流，为显示屏提供充足的电力。

（二）性能与保护特性

1. 线路瞬态调节：具备出色的线路瞬态调节能力，可有效应对电源波动，保证输出电压的稳定。
2. 保护功能：拥有短路保护和热关断功能，当出现短路或温度过高的情况时，能及时保护设备，提高系统的可靠性。

（三）封装特性

采用 3.00mm × 3.00mm、12 引脚的 QFN 封装，体积小巧，适合对空间要求较高的应用场景。

三、引脚配置与功能

TPS65631 共有 12 个引脚，每个引脚都有其特定的功能，以下是一些关键引脚的介绍：

1. AGND（5 脚）：模拟地。
2. AVIN（11 脚）：内部模拟电路（两个转换器）的输入电源电压。
3. CT（8 脚）：定时电容引脚，通过连接电容到地来控制反相降压 - 升压转换器输出从一个 (V_{NEG}) 值过渡到另一个值所需的时间。
4. CTRL（7 脚）：控制引脚，兼具设备使能和反相降压 - 升压转换器输出电压编程的功能。
5. FBS（4 脚）：升压转换器输出电压的反馈感测引脚。

四、技术规格详解

（一）绝对最大额定值

在正常工作时，各引脚的输入电压有明确的范围限制，如 SWP、OUTP、FBS、PVIN、AVIN 的输入电压范围为 -0.3V 至 6V 等。同时，器件的工作结温范围为 -40°C 至 150°C。超出这些绝对最大额定值可能会对器件造成永久性损坏。

（二）处理额定值

包括存储温度范围（-65°C 至 150°C）、静电放电（ESD）相关的人体模型（HBM）、充电设备模型（CDM）和机器模型（MM）的额定值等。在存储和处理过程中，需要注意这些参数，以防止器件受到静电损坏。

（三）推荐工作条件

输入电源电压范围为 2.9 - 4.5V，推荐标称值为 3.7V；(V{POS}) 固定为 4.6V，(V{NEG}) 范围为 -4.4V 至 -1.4V；输出电流范围为 300mA；工作环境温度范围为 -40°C 至 85°C，工作结温范围为 -40°C 至 125°C。在这些条件下工作，能保证器件的最佳性能。

（四）热信息

给出了多种热指标，如结到环境的热阻 (R_{θJA}) 为 51.5°C/W 等。这些热指标对于散热设计非常重要，有助于工程师合理设计散热方案，确保器件在正常温度范围内工作。

（五）电气特性

涵盖了多种参数，如关机电流、欠压锁定阈值、输出电压、开关导通电阻、开关频率、短路阈值电压等。这些参数反映了器件的电气性能，在设计电路时需要根据实际需求进行合理选择和优化。

（六）时序要求

CTRL 接口的高电平脉冲持续时间和低电平脉冲持续时间要求在 2 - 25µs 之间，以确保正确的编程和控制。

五、功能模块分析

（一）升压转换器

采用固定频率电流模式拓扑，输出电压 (V_{POS}) 固定为 4.6V。为了获得最高的输出电压精度，建议将输出感测引脚（FBS）直接连接到输出电容的正引脚。若不使用 FBS 引脚，可将其悬空或接地，此时升压转换器将使用 OUTP 引脚感测输出电压。

（二）反相降压 - 升压转换器

采用恒定关断时间峰值电流模式拓扑，默认输出电压 (V_{NEG}) 为 -4V，可通过 CTRL 引脚编程在 -1.4V 至 -4.4V 范围内调节。通过检测 CTRL 引脚的上升沿数量来设置输出电压，同时 CTRL 引脚的脉冲持续时间需在 2 - 25µs 之间，否则可能无法被正确识别。

（三）软启动和启动序列

具备软启动功能，可限制浪涌电流。当 CTRL 引脚接收到高电平信号使能器件时，升压转换器以降低的开关电流限制开始切换，10ms 后反相降压 - 升压转换器以默认值 -4V 启动。

（四）使能（CTRL）

CTRL 引脚有两个功能，一是使能和禁用器件，二是对反相降压 - 升压转换器的输出电压 (V{NEG}) 进行编程。若不需要数字接口，可将其作为标准使能引脚使用，此时 (V{NEG}) 为默认值 -4V。

（五）欠压锁定

当输入电源电压过低，无法正常工作时，欠压锁定功能会禁用器件，保护器件免受低电压的影响。

（六）短路保护

对 (V{POS}) 和 (V{NEG}) 到地以及相互之间的短路情况进行保护。在正常运行和启动过程中，若检测到短路情况，器件将进入关机模式，需要通过循环输入电源电压或切换 CTRL 引脚的高低电平来恢复正常运行。

（七）关机时输出放电

在关机时，TPS65631 会主动对其输出进行放电，确保系统的安全性。

（八）热关断

当器件的结温超过 145°C（典型值）时，将进入热关断模式，此时器件的所有功能都将停止。同样，需要通过循环输入电源电压或切换 CTRL 引脚的高低电平来恢复正常运行。

六、应用与实现

（一）典型应用电路

适用于智能手机应用中的 AMOLED 显示屏供电，电路设计为从单节锂离子电池供电，产生 4.6V 的正输出电压 (V_{POS}) 和 -4V 的负输出电压，两个输出都能够提供高达 300mA 的输出电流。

（二）设计要求与详细设计步骤

1. 设计参数：输入电压范围为 2.9 - 4.5V，输出电压 (V{POS}) 为 4.6V，(V{NEG}) 为 -4V，开关频率为 1.7MHz。
2. 电感选择：升压转换器和反相降压 - 升压转换器推荐使用 4.7µH 的电感，其他电感值可能需要根据具体情况进行性能评估。
3. 电容选择：推荐使用特定的电容值，如 C1 为 2×10µF、C2 为 10µF 等。使用小于推荐电容值可能会导致电压纹波增加，一般输出功率越低，所需电容值也越低。
4. 稳定性：使用与推荐值差异较大的元件值时，需要在整个工作条件范围内检查电路的稳定性。

（三）应用曲线

通过实际测试得到了效率与输出电流、启动波形、开关电压、电感电流和输出电压纹波等曲线，这些曲线直观地展示了器件在不同工作条件下的性能表现，为工程师的设计提供了重要参考。

七、电源供应与布局建议

（一）电源供应

TPS65631 设计的输入电压范围为 2.9 - 4.5V，若输入电源与器件距离较远，可能需要额外的大容量电容。数据手册中的 2×10µF 电容是常见的选择。

（二）布局指南

1. 在顶层使用短而宽的走线来路由开关电流，避免通过过孔，因为过孔具有较高的寄生电感和电阻。
2. 将电容 C1、C2、C3 分别尽可能靠近引脚 12、3、9 放置。
3. 将电感 L1、L2 分别尽可能靠近引脚 1、10 放置。
4. 使用散热焊盘连接 GND、AGND 和 PGND。
5. 将 FBS 引脚直接连接到 C2 的正引脚，保持该连接与 OUTP 和 C2 之间的连接分开。
6. 在第二层使用铜箔作为散热片，并通过多个热过孔将散热焊盘与之连接。

八、总结

TPS65631 以其丰富的功能、出色的性能和良好的保护特性，成为 AMOLED 显示电源的理想选择。在设计过程中，工程师需要根据具体的应用需求，合理选择元件参数，优化电路布局，以充分发挥该器件的优势。大家在使用 TPS65631 进行设计时，是否也遇到过一些挑战呢？欢迎在评论区分享你的经验和想法。