深入解析 TPS65178/TPS65178A：LCD 偏置电源的理想之选

作为电子工程师，在进行 LCD 相关设计时，一款合适的电源管理集成电路（IC）至关重要。今天，我们就来详细剖析一下德州仪器（TI）推出的 TPS65178/TPS65178A，这是一款具有 6 通道伽马缓冲器、Vcom 参考和动态增益的全可编程 LCD 偏置 IC，它究竟有哪些亮点，又该如何应用于实际设计中呢？让我们一探究竟。

文件下载：tps65178.pdf

一、产品概述

TPS65178/TPS65178A 为各种 LCD 偏置应用提供了简单且经济的电源解决方案。它能提供 TFT - LCD 面板所需的所有电源轨，还集成了 6 个伽马参考、LVDS 支持电源轨、Vcom 参考及其可编程动态增益。该解决方案采用小巧的 6x6mm QFN 封装，非常适合对空间要求较高的设计。其输入电压范围为 8.6V 至 14.7V，能适应不同的电源环境。

二、产品特性

（一）多类型电源转换

1. 升压转换器（Boost Converter）：输出电压 (V_{DD}) 范围为 12.8V - 19V（6 位可编程），采用电流模式拓扑，固定频率为 600kHz。例如在实际应用中，若需要一个较高的稳定电压为特定电路供电，它就能很好地满足需求。内部集成了输入 - 输出隔离开关，可有效防止过压和短路等情况对电路造成损害。当输出短路到地时，若 SWO 引脚电压下降，转换器会自动关闭并断开输入 - 输出隔离，待故障排除后又能恢复工作。
2. 降压转换器
   • Buck 1 转换器（(V_{cc})）：输出电压范围为 3.0V - 3.7V（3 位可编程），非同步型电流模式控制，固定频率 600kHz。在轻载时会采用跳周期模式来调节输出电压，以满足最小导通时间要求，不过此时输出电压纹波可能会稍高。当输出电压 (V_{CC}) 低于一定阈值时，会限制开关频率，避免短路时电感失控，同时有助于平滑启动过程。
   • Buck 2 与 Buck 4 转换器（(V{CORE}) & (V{EPI})）：同步降压转换器，采用独特的滞环 PWM 控制器方案，开关频率可超过 3MHz，能提供出色的瞬态和交流负载调节性能。输出电压可低至 0.9V，适合支持最新的时序控制器和面板接口。Buck 4 转换器在启动时会跟踪 Buck 1 转换器的输出电压，而 Buck 2 转换器在 Buck 1 和 Buck 4 达到电源正常信号后才开始工作。
   • Buck 3 转换器（(HV_{DD})）：同步降压转换器，PWM 能够吸收和提供高达 500mA 的电流。启动时，其输出电压会按比例跟踪升压转换器的输出电压。同时具备保护功能，当出现短路或过压情况时，会与升压转换器一同关闭，故障排除后自动恢复。

（二）电荷泵模块

1. 正电荷泵控制器（(V_{GH})）：输出电压在低温下范围为 19V - 34V（4 位可编程），高温下为 17V - 32V（4 位可编程），并具有温度补偿功能。通过连接外部负温度系数热敏电阻（NTC），可根据温度调节输出电压。例如在不同环境温度下，能确保为电路提供稳定合适的电压。当检测到输出短路（电压低于 1V）时，会限制 CTRLP 引脚的基极电流，同时升压转换器的开关活动也会暂停，直到 (V_{GH}) 高于 1V 恢复正常。
2. 负电荷泵（(V_{GL})）：输出电压范围为 -1.8V - -8.1V（6 位可编程）。同样具备短路保护功能，当 (V_{GL}) 保持高于 -0.7V 时，会检测到短路情况并限制基极电流。

（三）其他特性

1. 6 通道伽马缓冲器：3 通道输出范围为 (V{DD} - HV{DD})（9 位可编程），另外 3 通道为 (HV_{DD} - GND)（9 位可编程），可作为源驱动器 IC 的电压参考。每个通道能够提供 10mA 的直流输出电流（最小保证值），但输出通道不适合驱动大于 150pF 的高容性负载，应直接连接到源驱动器 IC。
2. (V_{COM}) 参考和增益：9 位 (V{COM}) 参考，2 位 (V{COM}) 增益，支持可选的动态增益。可通过两线接口设置非反相 Vcom 电压 (V_{POS}) 和 Vcom 增益，增益选项包括固定增益（缓冲模式、 -1x、 -2x、 -3x）和动态增益（ -2x、 -4x）。
3. 可编程功能：具备复位信号，其延时时间可编程；电源启动顺序延时也可编程，DLY1、DLY2 和 DLY3 可按 5ms 步进设置，最大为 35ms；还具有热关断保护功能，当结温上升到一定程度（如 138°C）时，会自动关断，结温下降后（滞后 8°C）恢复工作。

三、应用领域

由于其丰富的功能和良好的性能，TPS65178/TPS65178A 广泛应用于 LCD TV 和 LCD 显示器等领域。在这些应用中，它能为面板提供稳定、精准的电源，确保显示效果的高质量。

四、设计要点

（一）各转换器设计

1. 升压转换器设计
   • 电感选择：电感饱和电流要能处理最大峰值电流（(I_{LSAT } > I{SWPEAK }) 或 (I_{LSAT } > I{LIM_max })），直流电阻（DCR）越低越好，推荐电感值范围为 (10 mu H ≤L ≤22 mu H)，且该转换器针对 10µH 电感进行了优化。例如，Sumida 的 CDRH8D43NP - 100N（10µH）和 CD105NP - 100M（22µH）都是不错的选择。
   • 整流二极管选择：建议使用肖特基二极管，反向电压 (V{R}) 要能阻断 (V{ovp}) 电压（推荐 20V），平均整流正向电流 (I_{F}) 要能处理输出电流（保守推荐 2A），同时要考虑其散热特性。像 MBRS320、SL22 等都是合适的二极管型号。
   • 补偿设计：通过调整连接到 COMP 引脚的外部组件来补偿调节环路。对于大多数应用，可先使用 (R{COMP } = 33 k Omega) 和 (C{COMP} = 1 nF)，若使用 22uH 电感，推荐 (R{COMP } = 22 k Omega) 和 (C{COMP}=1 nF)。
2. 降压转换器设计
   • Buck 1 转换器：设计步骤包括计算占空比、电感纹波电流、最大输出电流和峰值开关电流等。电感和整流二极管的选择可参考升压转换器部分。
   • Buck 2 和 Buck 4 转换器：由于采用了独特的控制方案，可使用小型电感（范围为 1.0 (mu H ≤L ≤2.2 mu H)，优化值为 2.2uH）和陶瓷电容。例如 Murata 的 LQM21PN2R2（2.2µH）和 FDK 的 MPSZ2012D2R2（2.2µH）都是可选的电感型号。输入电容需选用低 ESR 电容，以减少输入电压尖峰对其他电路的干扰；输出电容推荐使用低 ESR 陶瓷电容，以降低输出电压纹波。
   • Buck 3 转换器：同样要计算占空比、电感纹波电流等参数。电感推荐范围为 4.7µH - 10µH，优化值为 6.8µH。输入和输出电容一般选用 10µF 的陶瓷电容。

（二）电荷泵设计

1. 正电荷泵
   • 二极管选择：小信号二极管适用于大多数低电流应用（< 50mA），高功率应用则需选用更高额定值的二极管。二极管的平均电流等于输出电流，反向电压额定值应等于 (2 ×V_{D D})。
   • 电容选择：飞行电容范围为 100nF - 1µF，较大的值可实现更高的输出电压和/或电流，但物理尺寸可能较大且成本较高；存储电容推荐使用低 ESR 陶瓷电容，范围为 1µF - 10µF。若晶体管置于输入侧，需一个 100nF - 1µF 的集电极电容；置于输出侧，则需一个 1µF - 10µF 的发射极电容。
   • 晶体管选择：用于调节 (V{GH}) 的 PNP 晶体管的直流增益（(h{FE})）在集电极电流等于电荷泵输出电流时应至少为 100，且能承受集电极 - 发射极间高达 (2 ×V{D D}) 的电压。同时，要确保晶体管能有效散热，其耗散功率可通过公式 (P{Q}=left[left(2 × V{D D}right)-left(2 × V{F}right)-V{G H}right] × I{G H}) 计算。
2. 负电荷泵：二极管、电容和晶体管的选择原则与正电荷泵类似。例如，用于调节 (V{GL}) 的 NPN 晶体管的直流增益（(h{FE})）在集电极电流等于电荷泵输出电流时应至少为 100，且能承受集电极 - 发射极间高达 (V{IN }) 的电压，其耗散功率计算公式为 (P{Q}=left[V{IN}-left(2 × V{F}right)-left|V{GL}right|right] × I{GL})。

（三）PCB 布局建议

1. 对于 Buck 2 和 Buck 4 转换器，在 OUT1 引脚（4）上尽可能靠近 IC 放置一个至少 1µF 的去耦电容，有助于稳定滞环转换器的开关波形。
2. 对于高 dv/dt 信号（开关引脚走线），应尽量减少铜面积，防止与其他走线或接地层形成无意的平行板电容，最好在同一层布线信号和返回线。
3. 对于高 di/dt 信号，走线要短、宽且间距小，以减少杂散电感，降低电流环路面积，防止电磁干扰（EMI）。
4. 尽可能避免使用过孔，因为过孔具有较高的电感和电阻。若必须使用，应并联多个过孔以减少寄生参数，特别是对于电源线。
5. 输入电容要靠近 IC，采用低电感走线。开关节点和二极管之间的铜走线要尽可能短而宽。采用单点接地方式，所有 AGND 和 PGND 引脚都要连接到电源焊盘。将模拟信号路径与功率路径隔离，开关节点引脚到电感的走线要短，以减少 EMI 辐射和噪声耦合。输出电压反馈采样应直接在输出电容处进行，并做好屏蔽。

（四）I2C 接口

TPS65178/A 通过行业标准的两线 I2C 接口进行通信，支持标准模式（100kbps）和快速模式（400kbps）。该芯片集成了非易失性存储器（EEPROM），可存储 DAC 值，最多支持 1000 次编程周期。通过 I2C 接口，可对各电源轨的输出电压、延时时间、增益等参数进行编程设置。具体的寄存器映射和数据传输格式在文档中有详细说明，工程师在设计时需参考这些信息进行配置。

五、总结

TPS65178/TPS65178A 凭借其丰富的功能、出色的性能和灵活的可编程特性，为 LCD 偏置电源设计提供了一个优秀的解决方案。在实际应用中，电子工程师需要根据具体的设计需求，合理选择各组件的参数，并注意 PCB 布局和 I2C 接口的配置，以充分发挥该芯片的优势，实现稳定、高效的电源管理。大家在使用过程中遇到过哪些问题呢？欢迎在评论区分享交流。