TPS61196：LCD TV背光的高效解決方案

引言

在LCD TV背光設(shè)計(jì)領(lǐng)域，一款性能卓越的驅(qū)動(dòng)芯片能為整個(gè)系統(tǒng)帶來(lái)質(zhì)的提升。TPS61196就是這樣一款備受關(guān)注的產(chǎn)品，它為L(zhǎng)CD TV背光提供了高度集成的解決方案，具備諸多出色特性。今天，我們就來(lái)深入探討一下TPS61196的相關(guān)技術(shù)細(xì)節(jié)。

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TPS61196概述

產(chǎn)品簡(jiǎn)介

TPS61196是一款專為L(zhǎng)CD TV背光設(shè)計(jì)的6串400 - mA白光LED（WLED）驅(qū)動(dòng)芯片，每串都具備獨(dú)立的PWM調(diào)光功能。它采用電流模式升壓控制器，可驅(qū)動(dòng)多達(dá)6串串聯(lián)的WLED，每串都有獨(dú)立的電流調(diào)節(jié)器，能在±1.5%的匹配精度內(nèi)將LED電流調(diào)節(jié)在50 mA至400 mA之間。其輸入電壓范圍為8 V至30 V，輸出電壓最高可達(dá)120 V，開(kāi)關(guān)頻率可在100 kHz至800 kHz之間編程。

主要特性亮點(diǎn)

1. 寬輸入輸出電壓范圍：8 - 30 V的輸入電壓范圍和高達(dá)120 V的輸出電壓，能適應(yīng)多種電源和負(fù)載需求。
2. 可編程開(kāi)關(guān)頻率：100 - 800 kHz的可編程開(kāi)關(guān)頻率，可根據(jù)實(shí)際應(yīng)用靈活調(diào)整，優(yōu)化系統(tǒng)性能。
3. 自適應(yīng)升壓輸出：能根據(jù)LED電壓自動(dòng)調(diào)整升壓輸出，提高驅(qū)動(dòng)效率。
4. 高精度電流匹配：六串電流源，每串連續(xù)輸出200 mA、脈沖輸出400 mA，串間電流匹配精度達(dá)±1.5%。
5. 高分辨率PWM調(diào)光：高達(dá)5000:1的高精度PWM調(diào)光分辨率，可實(shí)現(xiàn)細(xì)膩的亮度調(diào)節(jié)。
6. 多重保護(hù)功能：內(nèi)置LED開(kāi)路和短路保護(hù)、肖特基二極管開(kāi)路/短路保護(hù)、ISET短路保護(hù)、IFB短路保護(hù)以及熱關(guān)斷等功能，保障系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行。

詳細(xì)技術(shù)分析

功能模塊剖析

1. 電源供應(yīng)：芯片內(nèi)置線性穩(wěn)壓器為模擬和邏輯電路供電，VDD引腳輸出需連接1 - μF旁路電容，VDD僅能提供15 mA的電流源能力，當(dāng)EN引腳拉高后VDD電壓就緒。
2. 升壓控制器：通過(guò)電流模式脈沖寬度調(diào)制（PWM）控制來(lái)調(diào)節(jié)輸出電壓。在每個(gè)開(kāi)關(guān)周期開(kāi)始時(shí)，控制電路開(kāi)啟外部開(kāi)關(guān)FET，輸入電壓加在電感上使電感電流上升并儲(chǔ)存能量，此時(shí)負(fù)載電流由輸出電容提供；當(dāng)電感電流達(dá)到誤差放大器（EA）輸出設(shè)定的閾值時(shí)，開(kāi)關(guān)FET關(guān)閉，外部肖特基二極管正向偏置，電感將儲(chǔ)存的能量轉(zhuǎn)移到輸出電容并為負(fù)載供電。這種操作在每個(gè)開(kāi)關(guān)周期重復(fù)進(jìn)行。同時(shí)，振蕩器的斜坡信號(hào)會(huì)添加到電流斜坡上進(jìn)行斜率補(bǔ)償，PWM邏輯塊比較EA輸出和斜率補(bǔ)償后的電流斜坡來(lái)確定轉(zhuǎn)換器的占空比，反饋回路將OVP引腳調(diào)節(jié)到由IFB引腳最小電壓產(chǎn)生的參考電壓。EA輸出連接到COMP引腳，需連接外部RC補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)以優(yōu)化反饋回路的穩(wěn)定性和瞬態(tài)響應(yīng)。若因最小脈沖寬度限制導(dǎo)致升壓控制器無(wú)法調(diào)節(jié)輸出電壓，芯片將進(jìn)入脈沖跳躍模式，防止輸出電壓超過(guò)調(diào)節(jié)值，此模式常見(jiàn)于輕載或輸入電壓高于輸出電壓的情況。
3. 開(kāi)關(guān)頻率設(shè)置：開(kāi)關(guān)頻率由外部電阻編程設(shè)置，計(jì)算公式為(f_{SW}=frac{40000}{R 9}(kHz))，可在100 - 800 kHz之間調(diào)節(jié)。例如，當(dāng)R9為400 kΩ時(shí)，開(kāi)關(guān)頻率為100 kHz；當(dāng)R9為200 kΩ時(shí)，開(kāi)關(guān)頻率為200 kHz等。
4. 使能和欠壓鎖定：當(dāng)EN引腳電壓高于1.8 V時(shí)，芯片軟啟動(dòng)開(kāi)啟；電壓低于1 V時(shí)，芯片禁用。同時(shí)具備欠壓鎖定（UVLO）保護(hù)功能，當(dāng)VIN引腳電壓低于6.5 V時(shí)，芯片斷電；當(dāng)VIN引腳電壓恢復(fù)到高于UVLO閾值加上滯回電壓時(shí)，芯片恢復(fù)工作。若需要更高的UVLO電壓，可通過(guò)外部電阻分壓器連接到UVLO引腳進(jìn)行調(diào)整。當(dāng)UVLO條件發(fā)生時(shí)，F(xiàn)AULT引腳輸出高阻抗；條件消除后，F(xiàn)AULT引腳輸出低阻抗。
5. 上電時(shí)序和軟啟動(dòng)：輸入電壓、UVLO引腳電壓、EN輸入信號(hào)和輸入調(diào)光PWM信號(hào)共同控制芯片的上電過(guò)程。輸入電壓高于7.5 V后，內(nèi)部電路準(zhǔn)備上電；UVLO引腳電壓高于1.229 V且EN信號(hào)為高時(shí)，內(nèi)部LDO和邏輯電路激活，芯片輸出20 - ms脈沖檢測(cè)未使用的通道并將其從控制回路中移除；當(dāng)任何PWM調(diào)光信號(hào)為高時(shí)，軟啟動(dòng)開(kāi)始。芯片集成了軟啟動(dòng)電路，通過(guò)REF引腳的外部電容避免啟動(dòng)時(shí)的浪涌電流。啟動(dòng)期間，REF引腳電容由軟啟動(dòng)電流源充電，當(dāng)REF引腳電壓高于OVP引腳的輸出反饋電壓時(shí)，升壓控制器開(kāi)始切換，輸出電壓開(kāi)始上升，同時(shí)LED電流源開(kāi)始驅(qū)動(dòng)LED串。軟啟動(dòng)開(kāi)始時(shí)，充電電流為200 μA；REF引腳電壓超過(guò)2 V后，充電電流變?yōu)?0 μA。當(dāng)電流源驅(qū)動(dòng)LED串時(shí)，監(jiān)測(cè)IFB電壓，當(dāng)最小IFB電壓比IFBV引腳設(shè)定電壓低200 mV時(shí)，充電電流停止，軟啟動(dòng)結(jié)束，芯片進(jìn)入正常工作狀態(tài)，將最小IFB電壓調(diào)節(jié)到IFBV引腳電阻設(shè)定的電壓?？傑泦?dòng)時(shí)間由外部電容決定，電容值應(yīng)在1 μF至4.7 μF之間，以適應(yīng)不同的啟動(dòng)時(shí)間和輸出電壓要求。
6. 未使用LED串處理：若應(yīng)用中不需要六串LED，只需將未使用的IFB引腳通過(guò)20 kΩ至36 kΩ的電阻接地。芯片開(kāi)啟后，會(huì)使用60 - μA電流源檢測(cè)IFB引腳電壓，若電壓在1 V至2.5 V之間，芯片會(huì)在啟動(dòng)時(shí)立即禁用該串。
7. 電流調(diào)節(jié)：六通道電流源調(diào)節(jié)器可配置為每串提供高達(dá)400 mA的電流。預(yù)期的LED電流通過(guò)ISET引腳的電阻（R11）編程設(shè)置，計(jì)算公式為(LED =frac{V{ISET }}{R 11} × K{ISET })，其中(V{ISET})為ISET引腳電壓（1.229 V），(K{ISET})為電流倍數(shù)（3992）。為使電流源調(diào)節(jié)器正常工作，IFB引腳需要一定的最小裕量電壓。例如，當(dāng)LED電流設(shè)置為130 mA時(shí)，IFB引腳所需的最小電壓必須高于0.35 V。芯片將IFB引腳的最小電壓調(diào)節(jié)到IFBV電壓，IFBV電壓可通過(guò)IFBV引腳的外部電阻（R10）調(diào)節(jié)，計(jì)算公式為(V_{IFBV }=frac{R 10}{R 11} × 307.3(mV))。若設(shè)置的LED電流較大，所需的裕量電壓也會(huì)更高，這會(huì)導(dǎo)致芯片發(fā)熱增加。為使總功耗在封裝限制范圍內(nèi)，通常所有串不能在連續(xù)模式下同時(shí)吸收大電流，而可采用脈沖模式。例如，主動(dòng)快門(mén)式3D電視的背光源可在脈沖模式下使用大LED電流工作。
8. PWM調(diào)光：通過(guò)向PWM引腳施加90 Hz至22 kHz的外部PWM信號(hào)來(lái)設(shè)置LED亮度調(diào)光，每串LED都有獨(dú)立的PWM輸入。PWM占空比從0%到100%變化時(shí)，LED亮度相應(yīng)從最小調(diào)節(jié)到最大。推薦的LED串最小導(dǎo)通時(shí)間為10 μsec，因此在200 Hz時(shí)，芯片的最小調(diào)光占空比為500:1。當(dāng)所有PWM電壓在調(diào)光關(guān)閉期間拉低時(shí)，芯片關(guān)閉LED串，升壓轉(zhuǎn)換器以PFM模式運(yùn)行，輸出電壓保持在略低于PWM為高時(shí)的水平，從而限制PWM調(diào)光期間負(fù)載瞬變引起的輸出紋波。當(dāng)所有PWM電壓拉低超過(guò)20 ms時(shí)，為避免REF引腳電壓因泄漏電流下降，REF引腳電壓由內(nèi)部參考電壓保持，該參考電壓等于正常調(diào)光操作時(shí)REF引腳的電壓，因此輸出電壓將保持與正常輸出電壓相同。由于長(zhǎng)時(shí)間調(diào)光關(guān)閉狀態(tài)下的輸出電壓與正常開(kāi)啟LED時(shí)的電壓幾乎相同，當(dāng)從長(zhǎng)時(shí)間調(diào)光關(guān)閉恢復(fù)到小占空比調(diào)光開(kāi)啟時(shí)，芯片能快速開(kāi)啟LED且無(wú)閃爍。

保護(hù)功能詳解

1. 開(kāi)關(guān)電流限制保護(hù)：通過(guò)檢測(cè)檢測(cè)電阻（R7）兩端的電壓來(lái)監(jiān)測(cè)電感電流，當(dāng)開(kāi)關(guān)FET導(dǎo)通期間，ISNS引腳電壓高于400 mV時(shí)，芯片立即關(guān)閉FET，直到下一個(gè)開(kāi)關(guān)周期才重新開(kāi)啟，開(kāi)關(guān)電流限制等于400 mV / R7。
2. LED開(kāi)路保護(hù)：當(dāng)某串LED開(kāi)路時(shí)，調(diào)光開(kāi)啟期間連接該串LED的IFB引腳電壓降至零。芯片監(jiān)測(cè)IFB電壓20 ms，若仍低于0.2 V，則禁用該電流源，并激活內(nèi)部上拉電流再次檢測(cè)IFB電壓。若IFB電壓被拉高，則認(rèn)定該LED串開(kāi)路，芯片停用該開(kāi)路的IFB引腳并將其從電壓反饋回路中移除，輸出電壓恢復(fù)到連接的LED串所需的電壓，連接串的IFB引腳電流在此過(guò)程中保持調(diào)節(jié)。若所有LED串都開(kāi)路，芯片將被鎖定關(guān)閉。
3. LED短路交叉保護(hù)：若某串中有一個(gè)或多個(gè)LED短路，相應(yīng)的IFB引腳電壓會(huì)上升，但仍會(huì)吸收LED電流，導(dǎo)致芯片功耗增加。為保護(hù)芯片，通過(guò)FBP引腳的電阻（R12）編程設(shè)置可調(diào)節(jié)的LED短路交叉保護(hù)功能，計(jì)算公式為(V_{LED_SHORT }=frac{R 12}{R 11} × 1.229 V)。若任何IFB引腳電壓超過(guò)閾值，則芯片關(guān)閉相應(yīng)的電流源，并將該IFB引腳從輸出電壓調(diào)節(jié)回路中移除，其余IFB引腳的電流調(diào)節(jié)不受影響。
4. 肖特基二極管開(kāi)路保護(hù)：芯片上電后，首先檢查拓?fù)溥B接。延遲400 μs后，檢查OVP引腳電壓，若低于70 mV，則認(rèn)定肖特基二極管未連接或升壓輸出對(duì)地硬短路，芯片將被鎖定關(guān)閉，直到輸入電源重新上電或重新啟用。
5. 肖特基二極管短路保護(hù)：若整流肖特基二極管短路，開(kāi)關(guān)MOSFET導(dǎo)通時(shí)，輸出電容到地的反向電流會(huì)很大。由于電流模式控制拓?fù)溆凶钚∠[時(shí)間以抗開(kāi)關(guān)尖峰電流，若輸出電容通過(guò)開(kāi)關(guān)到地的寄生電感為零，外部MOSFET會(huì)在短時(shí)間內(nèi)因巨大功耗而損壞；若有小的寄生電感，功耗會(huì)受到限制，此時(shí)升壓轉(zhuǎn)換器因逐周期過(guò)流保護(hù)工作在最小脈沖寬度狀態(tài)，輸出電壓下降，所有IFB引腳電壓低會(huì)觸發(fā)全串開(kāi)路保護(hù)，芯片將被鎖定關(guān)閉。
6. 啟動(dòng)期間IFB過(guò)壓保護(hù)：?jiǎn)?dòng)期間，任何IFB引腳電壓達(dá)到38 V的閾值時(shí)，芯片立即停止開(kāi)關(guān)并鎖定關(guān)閉，以防止損壞，鎖定關(guān)閉狀態(tài)下REF引腳電壓放電。
7. 輸出過(guò)壓保護(hù)：使用電阻分壓器對(duì)升壓轉(zhuǎn)換器的最大輸出電壓進(jìn)行編程，以確保LED串能以設(shè)定電流開(kāi)啟，最大輸出電壓必須高于LED串的正向壓降。最大所需電壓可通過(guò)最大LED正向電壓（(V{FWD(max )})）乘以串聯(lián)LED數(shù)量（n），再加上1 V以考慮調(diào)節(jié)、電阻公差和負(fù)載瞬變來(lái)計(jì)算。推薦的電阻分壓器底部反饋電阻（R4）為10 kΩ，頂部電阻（R3）計(jì)算公式為(R 3=left(frac{V{OVP}}{3.02}-1right) × R 4)，其中(V_{OVP})為升壓轉(zhuǎn)換器的最大輸出電壓。當(dāng)芯片檢測(cè)到OVP引腳電壓超過(guò)3.02 V的過(guò)壓保護(hù)閾值時(shí)，表明輸出電壓已超過(guò)鉗位閾值電壓，芯片將輸出電壓鉗位到設(shè)定閾值。若OVP引腳電壓在超過(guò)OVP閾值后500 ms內(nèi)未下降，芯片將被鎖定關(guān)閉，直到輸入電源或EN引腳電壓重新上電。
8. 輸出對(duì)地短路保護(hù)：當(dāng)每個(gè)開(kāi)關(guān)周期中電感峰值電流達(dá)到開(kāi)關(guān)電流限制的兩倍時(shí)，芯片立即禁用升壓控制器，直到故障消除，以保護(hù)芯片和外部元件在輸出對(duì)地短路時(shí)不受損壞。
9. IFB對(duì)地短路保護(hù)：若沒(méi)有保護(hù)措施，IFB引腳對(duì)地短路會(huì)使LED電流失控。若芯片試圖提高升壓轉(zhuǎn)換器的輸出電壓來(lái)提升IFB電壓，會(huì)使情況更糟，LED串可能因大電流而燒毀。芯片采用保護(hù)機(jī)制，若在芯片開(kāi)啟前IFB對(duì)地短路，啟動(dòng)期間通過(guò)提供60 μA電流檢測(cè)IFB電壓，若電壓低于0.4 V，則停止啟動(dòng)并輸出故障指示，以保護(hù)啟動(dòng)期間的LED串。正常運(yùn)行時(shí)，若某LED反饋引腳對(duì)地短路，芯片先短時(shí)間關(guān)閉該LED串，再次檢測(cè)IFB電壓。若低于1.8 V，則提供60 - μA電流并在關(guān)閉狀態(tài)下再次檢測(cè)，若仍低于1.8 V，則認(rèn)定IFB引腳對(duì)地短路，關(guān)閉升壓轉(zhuǎn)換器并將REF電壓放電到地，以保護(hù)LED串。
10. ISET對(duì)地短路保護(hù)：芯片啟用時(shí)監(jiān)測(cè)ISET引腳電壓，當(dāng)ISET引腳的源電流大于150 μA的閾值時(shí)，由于ISET引腳可能對(duì)地短路或電流設(shè)置電阻過(guò)小，芯片禁用電流源。當(dāng)ISET引腳的源電流恢復(fù)到正常值時(shí)，電流源恢復(fù)工作。
11. 熱保護(hù)：當(dāng)芯片結(jié)溫超過(guò)150°C時(shí)，熱保護(hù)電路觸發(fā)，立即關(guān)閉芯片。當(dāng)結(jié)溫降至135°C以下時(shí)，芯片自動(dòng)重啟，具有約15°C的滯回。

故障指示功能

芯片的FAULT引腳為開(kāi)漏輸出，用于指示異常情況。正常運(yùn)行時(shí)，F(xiàn)AULT引腳電壓為低；發(fā)生任何故障時(shí)，引腳處于高阻抗?fàn)顟B(tài)，可通過(guò)外部電阻拉高。FAULT引腳可指示OVP或IFB引腳過(guò)壓、LED短路和開(kāi)路、IFB對(duì)地短路、ISET對(duì)地短路、二極管開(kāi)路和短路、輸出短路、過(guò)溫等故障情況。

應(yīng)用與設(shè)計(jì)要點(diǎn)

多芯片并行應(yīng)用

當(dāng)應(yīng)用中需要更多LED串時(shí)，TPS61196可工作在主/從模式。當(dāng)FSW引腳電壓低于0.5 V或高于3.5 V時(shí)，芯片可設(shè)置為從設(shè)備。主芯片具有升壓控制器，為所有LED串輸出電源軌；從芯片僅作為LED驅(qū)動(dòng)器，通過(guò)將其COMP引腳連接到主芯片的REF引腳向主芯片反饋所需的裕量電壓。從芯片的ISNS引腳必須接地，OVP引腳電壓必須比主芯片的OVP引腳電壓高3%。從芯片可通過(guò)將主芯片的FAULT輸出連接到其FSW引腳來(lái)合并主從設(shè)備上發(fā)生的所有故障情況，從芯片的FAULT引腳輸出所有故障情況的指示信號(hào)。

典型應(yīng)用設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)要求

以一個(gè)具體例子說(shuō)明，設(shè)計(jì)要求輸入電壓范圍為10 V – 15 V，LED正向電壓范圍為56 V - 64 V，LED串?dāng)?shù)為6串，每串20個(gè)LED，LED串電流為150 mA/通道，開(kāi)關(guān)頻率為500 kHz。

詳細(xì)設(shè)計(jì)步驟

1. 電感選擇：電感是開(kāi)關(guān)電源調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì)中最重要的組件之一，其值、直流電阻（DCR）和飽和電流對(duì)性能有重要影響。大多數(shù)應(yīng)用中，功率級(jí)在連續(xù)導(dǎo)通模式（CCM）下運(yùn)行更高效。電感直流電流計(jì)算公式為(L(DC)=frac{V{OUT } × I{OUT }}{V{IN } × eta})，其中(V{OUT})為升壓輸出電壓，(I{OUT})為升壓輸出電流，(V{IN})為升壓輸入電壓，(eta)為功率轉(zhuǎn)換效率（TPS61196應(yīng)用中取95%）。電感電流峰 - 峰紋波計(jì)算公式為(Delta I{L(P-P)}=frac{V{IN} timesleft(V{OUT }-V{IN }right)}{L × f{SW} × V{OUT }})，電感峰值電流計(jì)算公式為(I{L(P)}=I{L(D C)}+frac{Delta I_{L(P-P)}}{2})。應(yīng)選擇飽和電流高于計(jì)算峰值電流的電感，計(jì)算最壞情況下的電感峰值電流時(shí)，使用最小輸入電壓、最大輸出電壓和最大負(fù)載電流。此外，調(diào)節(jié)器效率與高電流路徑電阻和開(kāi)關(guān)FET及功率二極管的開(kāi)關(guān)損耗有關(guān)，電感DCR也會(huì)影響整體效率，通常較低的DCR對(duì)應(yīng)較高的效率，但DCR與電感尺寸存在權(quán)衡，屏蔽電感的DCR通常比非屏蔽電感高。
2. 肖特基二極管選擇：為實(shí)現(xiàn)最佳效率，TPS61196需要高速整流。所選二極管的平均和峰值電流額定值必須超過(guò)輸出LED電流和電感峰值電流，反向擊穿電壓必須超過(guò)應(yīng)用輸出電壓。
3. 開(kāi)關(guān)MOSFET和柵極驅(qū)動(dòng)電阻選擇：TPS61196需要一個(gè)功率N - MOSFET作為開(kāi)關(guān)，MOSFET的電壓和電流額定值必須高于應(yīng)用輸出電壓和電感峰值電流。在GDRV引腳和開(kāi)關(guān)MOSFET柵極之間連接一個(gè)電阻（推薦3 Ω）可限制柵極驅(qū)動(dòng)電流，改善EMI性能。當(dāng)電阻值高于3 Ω時(shí)，由于外部MOSFET開(kāi)關(guān)損耗增加，芯片效率會(huì)降低。
4. 電流檢測(cè)和濾波：R7決定正確的過(guò)流限制保護(hù)值。選擇R7值時(shí)，先根據(jù)系統(tǒng)總功率需求(P{OUT})，通過(guò)公式計(jì)算輸入電流(I{IN})，效率可估算在90% - 95%之間；然后根據(jù)電感值L使用公式計(jì)算電感峰值電流；最后計(jì)算最大R7值(R 7(max )=V{ISNS } / I{L(P)})，并建議增加20%或更多余量以考慮組件變化。