TPS65149：高度集成的LCD偏置解决方案

在LCD显示器设计领域，寻找一款高度集成、性能卓越的偏置解决方案至关重要。德州仪器（TI）的TPS65149便是这样一款值得关注的产品，它为使用ASG/GIP技术的LCD显示器提供了全面的偏置解决方案。今天，我们就来深入了解一下TPS65149的特性、应用及设计要点。

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一、产品概述

TPS65149专为使用ASG/GIP技术的LCD显示器设计，是一款高度集成的解决方案。它将升压转换器、正负电荷泵控制器、可编程 (V_{COM}) 发生器和8通道电平转换器集成在一个芯片中，能有效减少外部元件数量，降低设计复杂度。

（一）产品特性

1. 宽输入电压范围：输入电压范围为3V至6V，能适应多种电源环境。
2. 强大的升压转换器：具有4A开关电流限制，输出电压最高可达18V，还具备过压保护功能。开关频率可选（640kHz或1.2MHz），并支持可编程软启动。
3. 温度补偿功能：正电荷泵控制器支持温度补偿，可在高温时降低 (V_{GH}) ，提高系统稳定性。
4. 丰富的功能模块：包含负电荷泵控制器、8通道电平转换器、两个面板放电信号、XAO复位信号和数字可编程 (V_{COM}) 缓冲器。
5. 可靠的保护机制：具备热关断功能，确保在高温环境下系统安全。
6. 小巧的封装：采用56引脚7×7mm QFN封装，节省电路板空间。

（二）应用领域

主要应用于使用ASG/GIP技术的LCD显示器，为显示器提供稳定的偏置电压。

二、关键参数与性能

（一）绝对最大额定值

了解产品的绝对最大额定值对于确保其安全可靠运行至关重要。TPS65149在不同引脚电压、ESD评级、功率耗散、温度范围等方面都有明确的限制。例如，部分引脚电压最大为7V，DVRO、AVDD、SW、HVS引脚最大为20V，DRVP、VGH引脚最大为40V等。ESD评级方面，人体模型为2kV，机器模型为200V，带电设备模型为500V。在温度方面，环境温度范围为 -40°C至85°C，结温范围为 -40°C至150°C，存储温度范围为 -65°C至150°C。

（二）热信息

热性能是影响芯片性能和可靠性的重要因素。TPS65149的热阻参数包括结到环境热阻 (q{JA}) 为27.4°C/W，结到顶部热阻 (q{JC(top)}) 为20.4°C/W，结到板热阻 (q_{JB}) 为7.1°C/W等。通过合理的散热设计，可以确保芯片在工作过程中保持良好的热性能。

（三）推荐工作条件

在实际应用中，需要根据推荐工作条件来使用TPS65149。例如，输入电压范围为3V至6V，升压转换器输出电压范围为7V至18V， (V{GH}) 电平转换器正电源电压范围为15V至38V， (V{GL1}) 和 (V_{GL2}) 电平转换器负电源电压范围为 -3V至 -15V等。

（四）电气特性

电气特性是评估芯片性能的重要指标。在 (V{IN}=5V) 、 (V{AVDD}=13.6V) 、 (V{GH}=28V) 、 (V{GL1}=V{GL2}=-10V) 、 (T{A}=-40^{circ}C) 至85°C、FREQ = high的条件下，TPS65149的各项电气参数表现良好。例如，VIN电源电流在设备不开关且 (V{FB}=V{L}+5%) 时为0.75mA，正电源电流为0.04mA等。

三、引脚功能与设计要点

（一）引脚分配与功能

TPS65149共有56个引脚，每个引脚都有特定的功能。例如，FBPH引脚用于设置正电荷泵的最大输出电压，COMP引脚用于连接补偿网络以优化升压转换器的性能，SS引脚通过连接电容控制升压转换器的启动特性等。详细了解每个引脚的功能，有助于正确设计电路。

（二）升压转换器设计

1. 参数计算：设计升压转换器时，首先要计算峰值开关电流。可以通过典型特性曲线估算转换器效率，然后根据公式 (D = 1 - frac{V{IN} × eta}{V{AVDD}}) 计算占空比，再根据公式 (Delta I{L}=frac{V{IN} × D}{f × L}) 计算电感电流变化，最后根据公式 (V(PK)=frac{I{AVDD}}{1 - D}+frac{Delta I{L}}{2}) 计算峰值开关电流。
2. 元件选择
   • 电感：当使用较高开关频率时，电感范围为3.3µH至6.8µH；使用较低开关频率时，电感范围为7µH至13µH。电感的饱和电流应大于峰值开关电流，并留有一定余量。
   • 整流二极管：推荐使用肖特基二极管，其反向电压额定值应大于20V，平均整流电流额定值应至少等于最大 (I_{AVDD}) 。
   • 输入电容：为了实现良好的电源电压滤波，推荐使用低ESR陶瓷电容，VIN引脚应使用100nF至1µF的陶瓷电容进行去耦。

（三）正电荷泵设计

1. 输出电压设置：正电荷泵的输出电压具有温度补偿特性，其输出电压在高温时会降低。可以通过连接到FBPH和FBP引脚的电阻来设置 (V{GH(COLD)}) ，通过内部钳位电路和连接到FBP引脚的电阻分压器来设置 (V{GH(HOT)}) 。
2. 元件选择
   • PNP晶体管：用于调节 (V{GH}) 的PNP晶体管的DC增益（ (h{FE}) ）应至少为100，并且能够承受 (V_{GH}) 电压。
   • 二极管：小信号二极管适用于大多数低电流应用，较高额定值的二极管适用于高功率应用。二极管的反向电压额定值应等于两倍的 (V_{AVDD}) 。
   • 电容：推荐使用低ESR陶瓷电容，电容值范围为1µF至10µF。飞行电容范围为100nF至1µF，串联一个几欧姆的电阻可以限制开关瞬间的峰值电流。

（四）负电荷泵设计

1. 输出电压设置：负电荷泵的输出电压通过电阻分压器编程，根据公式 (V{GL1}=-V{REF} × frac{R{13}}{R{14}}) 计算。为了实现最佳精度，建议将从VL引脚汲取的电流保持在250µA以下。
2. 元件选择
   • NPN晶体管：用于调节 (V{GL1}) 的NPN晶体管的DC增益（ (h{FE}) ）应至少为100，并且能够承受 (V_{AVDD}) 电压。
   • 二极管：与正电荷泵类似，二极管的选择要考虑平均电流和反向电压额定值。
   • 电容：同样推荐使用低ESR陶瓷电容，飞行电容和集电极电容范围为100nF至1µF。

（五）可编程 (V_{COM}) 设计

TPS65149包含一个可编程 (V{COM}) 发生器，通过集成的7位DAC可以调节输出电压。可以将最佳 (V{COM}) 值存储在片上EEPROM中，每次上电时DAC将被编程为该值。编程时需要考虑 (V{COM}) 的最大值、最大电流以及不同DAC设置下的 (V{COM}) 计算。

（六）电平转换器与面板放电设计

TPS65149包含八个电平转换通道和两个用于面板放电的电平转换输出。电平转换器的输出在电源启动和关闭时会跟踪 (V{GL1}) 或 (V{GH}) ，具体取决于 (V_{DET}) 阈值。面板放电功能在电源关闭时用于放电LCD面板。

四、电源供应时序

（一）升压、电荷泵和 (V_{COM}) 发生器

当 (V{IN}{UVLO}) 时，所有功能禁用；当 (V{IN}>V{UVLO}) 且EN为低电平时，所有功能仍禁用；当 (V{IN}>V{UVLO}) 且EN变为高电平时，升压转换器、负电荷泵和 (V_{COM}) 发生器首先启用，当升压转换器输出达到功率良好阈值时，正电荷泵启用；当EN变为低电平时，所有功能禁用。

（二）电平转换器

在电源启动时，当 (V{DET}) 低于输入阈值时，电平转换器输出跟踪 (V{GH}) ；正常运行时，当 (V{DET}) 高于输入阈值时，电平转换器输出跟随输入；电源关闭时，当 (V{DET}) 低于输入阈值时，电平转换器输出跟踪 (V_{GH}) 。

（三）面板放电

电源启动时，当 (V{DET}) 低于输入阈值时，DSCHG1跟踪 (V{GL1}) ，DSCHG2跟踪 (V{GL2}) ；正常运行时，当 (V{DET}) 高于输入阈值时，DSCHG1和DSCHG2分别跟踪 (V{GL1}) 和 (V{GL2}) ；电源关闭时，当 (V{DET}) 低于输入阈值时，DSCHG1和DSCHG2跟踪 (V{GH}) 。

（四）XAO复位信号

电源启动时，当 (V{DET}) 低于输入阈值时，XAO被拉低；正常运行时，当 (V{DET}) 高于输入阈值时，XAO为高阻抗；电源关闭时，当 (V_{DET}) 低于输入阈值时，XAO被拉低。

五、典型应用电路

文档中给出了两种典型应用电路，分别使用正电荷泵的×2和×2.5配置。这些电路展示了如何将TPS65149应用于实际设计中，包括元件的选择和连接方式。在实际设计中，可以根据具体需求对电路进行调整和优化。

六、总结

TPS65149是一款功能强大、集成度高的LCD偏置解决方案，适用于使用ASG/GIP技术的LCD显示器。通过合理的设计和元件选择，可以充分发挥其性能优势，为LCD显示器提供稳定可靠的偏置电压。在设计过程中，需要仔细考虑各个模块的参数和特性，确保电路的性能和可靠性。同时，要注意电源供应时序和保护机制，以应对各种可能的情况。你在使用TPS65149的过程中遇到过哪些问题呢？欢迎在评论区分享你的经验和见解。