汽車級白光LED驅(qū)動芯片TPS61161-Q1的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

在電子設(shè)計(jì)領(lǐng)域，LED驅(qū)動芯片是實(shí)現(xiàn)高效、穩(wěn)定照明的關(guān)鍵組件。今天，我們來深入探討一款專門為汽車應(yīng)用設(shè)計(jì)的白光LED驅(qū)動芯片——TPS61161-Q1。

文件下載：tps61161-q1.pdf

一、芯片概述

TPS61161-Q1是一款專為汽車應(yīng)用設(shè)計(jì)的白光LED驅(qū)動芯片，它具有諸多出色的特性。其輸入電壓范圍為2.7V至18V，能夠適應(yīng)多種電源環(huán)境。該芯片可驅(qū)動多達(dá)10個串聯(lián)的白光LED，并且具備38V的開路LED保護(hù)功能，有效保障了系統(tǒng)的安全性。同時，它擁有200mV的參考電壓，精度高達(dá)±2%，還支持靈活的數(shù)字和PWM亮度控制，內(nèi)置軟啟動功能，效率最高可達(dá)90%。芯片采用2mm × 2mm × 0.8mm的6引腳QFN（DRV）封裝，帶有散熱焊盤，在節(jié)省空間的同時保證了良好的散熱性能。

二、應(yīng)用場景

汽車儀表盤背光

在汽車儀表盤的背光應(yīng)用中，TPS61161-Q1能夠提供穩(wěn)定的亮度輸出，確保駕駛員在各種光照條件下都能清晰讀取儀表盤信息。其高可靠性和寬輸入電壓范圍，使其非常適合汽車復(fù)雜的電氣環(huán)境。

高亮度LED照明

對于需要高亮度照明的場景，如汽車大燈、霧燈等，TPS61161-Q1可以驅(qū)動多個LED串聯(lián)，實(shí)現(xiàn)高亮度輸出。同時，其高效的轉(zhuǎn)換效率有助于降低功耗，延長電池使用壽命。

白光LED背光媒體顯示屏

在汽車多媒體顯示屏的背光應(yīng)用中，TPS61161-Q1的數(shù)字和PWM亮度控制功能可以實(shí)現(xiàn)精確的亮度調(diào)節(jié)，為用戶提供舒適的視覺體驗(yàn)。

三、芯片特性詳解

軟啟動功能

芯片內(nèi)置軟啟動電路，可避免啟動時產(chǎn)生高浪涌電流。設(shè)備啟用后，F(xiàn)B引腳電壓分32步斜坡上升至參考電壓，每步耗時213μs，確保輸出電壓緩慢上升，降低輸入電流。在COMP電壓斜坡上升后的前5ms內(nèi)，開關(guān)的電流限制設(shè)置為正常電流限制規(guī)格的一半，典型輸入電流保持在400mA以下。

開路LED保護(hù)

該功能可防止因白光LED斷開而損壞芯片。在每個開關(guān)周期內(nèi)，芯片會監(jiān)測SW引腳和FB引腳的電壓。當(dāng)SW電壓超過Vovp閾值，且FB電壓小于調(diào)節(jié)電壓的一半持續(xù)8個時鐘周期時，開關(guān)FET將關(guān)閉，芯片進(jìn)入關(guān)機(jī)狀態(tài)，輸出電壓降至輸入電源水平。直到通過切換CTRL引腳邏輯重新啟用設(shè)備，它才會恢復(fù)工作。為了允許使用廉價的低壓輸出電容器，芯片設(shè)置了不同的開路燈保護(hù)閾值，以防止內(nèi)部40V FET擊穿，閾值設(shè)定為38V。

關(guān)機(jī)模式

當(dāng)CTRL電壓邏輯低電平持續(xù)超過2.5ms時，TPS61161-Q1進(jìn)入關(guān)機(jī)模式，此時設(shè)備的輸入電源電流小于1μA（最大值）。盡管關(guān)機(jī)時內(nèi)部FET不切換，但通過電感和肖特基二極管，輸入和LED之間仍存在直流電流路徑。為確保關(guān)機(jī)時LED保持關(guān)閉，LED陣列的最小正向電壓必須超過最大輸入電壓。在典型的兩個或更多LED應(yīng)用中，正向電壓足以反向偏置肖特基二極管，從而保持低泄漏電流。

欠壓鎖定

欠壓鎖定功能可防止設(shè)備在輸入電壓低于典型值2.2V時工作。當(dāng)輸入電壓低于欠壓閾值時，設(shè)備關(guān)機(jī)，內(nèi)部開關(guān)FET關(guān)閉。當(dāng)輸入電壓上升超過欠壓鎖定滯后值時，芯片重新啟動。

熱關(guān)斷

當(dāng)芯片的典型結(jié)溫超過160°C時，內(nèi)部熱關(guān)斷功能會關(guān)閉設(shè)備。當(dāng)結(jié)溫下降15°C時，設(shè)備自動從關(guān)機(jī)狀態(tài)釋放。

四、設(shè)備功能模式

LED亮度調(diào)光模式選擇

CTRL引腳用于PWM調(diào)光和1線調(diào)光兩種調(diào)光模式的控制輸入。每次設(shè)備啟用時，會選擇調(diào)光模式，默認(rèn)調(diào)光模式為PWM調(diào)光。要進(jìn)入1線模式，每次芯片從關(guān)機(jī)模式啟動時，必須在CTRL引腳上識別到特定的數(shù)字模式：

1. 將CTRL引腳拉高以啟用TPS61161-Q1，并啟動1線檢測窗口。
2. 在EasyScale檢測延遲（tes_delay，100μs）到期后，將CTRL引腳拉低超過EasyScale檢測時間（tes_detect，260μs）。
3. 在EasyScale檢測窗口（tes_win，1ms）到期之前，CTRL引腳必須保持低電平超過EasyScale檢測時間。EasyScale檢測窗口從CTRL引腳首次從低到高的轉(zhuǎn)換開始。 一旦滿足這三個條件，芯片立即進(jìn)入1線模式。在檢測窗口到期之前，EasyScale通信即可開始。一旦調(diào)光模式編程完成，若不重新啟動，模式將無法更改，即需要將CTRL引腳拉低2.5ms使芯片關(guān)機(jī)，然后重新啟動。

   PWM亮度調(diào)光

   當(dāng)CTRL引腳持續(xù)為高電平時，F(xiàn)B電壓通常被調(diào)節(jié)到200mV。通過在CTRL引腳上施加PWM信號，可以降低該調(diào)節(jié)電壓，從而實(shí)現(xiàn)LED亮度調(diào)光。占空比與FB電壓的關(guān)系為：(V_{FB}=Duty × 200 mV)。芯片會以PWM信號的占空比對內(nèi)部200mV參考電壓進(jìn)行斬波，脈沖信號經(jīng)內(nèi)部低通濾波器濾波后，作為FB引腳調(diào)節(jié)的參考電壓連接到誤差放大器。因此，盡管使用PWM信號進(jìn)行亮度調(diào)光，但僅調(diào)制WLED直流電流，通常稱為模擬調(diào)光，可消除因LED電流以PWM控制的頻率和占空比脈沖而產(chǎn)生的可聽噪聲。與其他過濾PWM信號進(jìn)行模擬調(diào)光的方案不同，TPS61161-Q1的調(diào)節(jié)電壓與PWM邏輯電壓電平無關(guān)，后者通常有較大變化。為獲得最佳性能，建議使用5kHz至100kHz范圍內(nèi)的PWM調(diào)光頻率。

   數(shù)字1線亮度調(diào)光

   CTRL引腳具有簡單的數(shù)字接口，可實(shí)現(xiàn)數(shù)字亮度控制。數(shù)字調(diào)光無需一直提供PWM信號，可節(jié)省處理器功率和電池壽命，處理器在可用時可進(jìn)入空閑模式。TPS61161-Q1采用EasyScale協(xié)議進(jìn)行數(shù)字調(diào)光，可通過單命令將FB電壓編程到32個步驟中的任意一個。亮度步驟的電壓增量呈偽對數(shù)曲線，默認(rèn)步驟為設(shè)備首次啟用時的滿量程（(V_{FB}=200 mV)）。編程后的參考電壓存儲在內(nèi)部寄存器中，電源復(fù)位會清除寄存器值并將其重置為默認(rèn)值。

   EasyScale：1線數(shù)字調(diào)光

   EasyScale是一種簡單而靈活的單引腳接口，用于配置FB電壓。該接口基于主從結(jié)構(gòu)，主設(shè)備通常是微控制器或應(yīng)用處理器。協(xié)議由設(shè)備特定地址字節(jié)和數(shù)據(jù)字節(jié)組成，設(shè)備特定地址字節(jié)固定為72十六進(jìn)制。數(shù)據(jù)字節(jié)包含五個信息位、兩個地址位和RFA位。RFA位置高表示請求確認(rèn)條件，僅在協(xié)議正確接收時應(yīng)用確認(rèn)條件。與其他單引腳接口相比，EasyScale的位檢測在很大程度上獨(dú)立于位傳輸速率，可自動檢測1.7kbit/s至160kbit/s的位速率。

五、應(yīng)用設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)要求

在應(yīng)用中，TPS61161-Q1驅(qū)動10個LED，輸出電流設(shè)置為20mA，電路支持3V至18V的寬范圍輸入電壓。通過在CTRL引腳上施加PWM信號，可實(shí)現(xiàn)PWM調(diào)光控制。

詳細(xì)設(shè)計(jì)步驟

電流編程

FB電壓由0.2V的低參考電壓調(diào)節(jié)，LED電流通過與LED串串聯(lián)的電流檢測電阻進(jìn)行外部編程。RSET的值可通過公式 (I{LED}=frac{V{FB}}{R{SET}}) 計(jì)算，其中 (I{LED}) 為LED的輸出電流，(V{FB}) 為FB的調(diào)節(jié)電壓，(R{SET}) 為電流檢測電阻。輸出電流的公差取決于FB精度和電流傳感器電阻精度。

最大輸出電流

最大輸出電流的計(jì)算公式為 (I{OUT_MAX}=frac{V{IN } timesleft(I{LIM }-frac{I{P}}{2}right) × eta}{V{OUT }}) ，其中 (I{P}=frac{1}{left[L × F{S} timesleft(frac{1}{V{OUT }+V{F}+V{I N}}+frac{1}{V_{IN}}right)right]}) 。由于功率轉(zhuǎn)換損耗，最大輸出功率小于最大輸入功率。電流限制會鉗位電感峰值電流，因此需要減去紋波以得出最大直流電流。紋波電流是開關(guān)頻率、電感值和占空比的函數(shù)。

電感選擇

電感的選擇會影響穩(wěn)態(tài)運(yùn)行、瞬態(tài)行為和環(huán)路穩(wěn)定性，是電源調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì)中最重要的組件。電感的重要規(guī)格包括電感值、直流電阻和飽和電流。電感值決定了電感紋波電流，應(yīng)選擇能夠承受必要峰值電流而不飽和的電感。TI建議使用10μH至22μH的電感值范圍，22μH的電感在大多數(shù)應(yīng)用中可優(yōu)化效率，同時保持較低的電感峰峰值紋波。

肖特基二極管選擇

TPS61161-Q1的高開關(guān)頻率要求高速整流以實(shí)現(xiàn)最佳效率。所選二極管的平均和峰值電流額定值應(yīng)超過平均輸出電流和電感峰值電流，并且二極管的反向擊穿電壓必須超過開路LED保護(hù)電壓。推薦使用ONSemi MBR0540和ZETEX ZHCS400。

補(bǔ)償電容器選擇

連接在COMP引腳和GND之間的補(bǔ)償電容器C3用于穩(wěn)定TPS61161-Q1的反饋環(huán)路，建議使用220nF的陶瓷電容器。

輸入和輸出電容器選擇

輸出電容器主要用于滿足輸出紋波和環(huán)路穩(wěn)定性的要求。假設(shè)電容器的等效串聯(lián)電阻（ESR）為零，可通過公式 (C{OUT }=frac{left(V{OUT }-V{IN }right) I{OUT }}{V{OUT } × F{S} × V{RIPPLE }}) 計(jì)算給定紋波所需的最小電容，其中 (V{RIPPLE }) 為峰峰值輸出紋波。由于陶瓷電容器的ESR較低，Vripple_ESR可忽略不計(jì)，但使用鉭或電解電容器時必須考慮。TI建議輸入側(cè)使用1μF至4.7μF的電容器，輸出側(cè)使用0.47μF至10μF的電容器。輸出電容器會影響升壓調(diào)節(jié)器的環(huán)路穩(wěn)定性，如果輸出電容器低于該范圍，升壓調(diào)節(jié)器可能會不穩(wěn)定。

六、電源供應(yīng)與布局建議

電源供應(yīng)

TPS61161-Q1設(shè)備需要單個電源輸入電壓，范圍為3V至18V，并能夠?yàn)榻o定應(yīng)用提供足夠的電流。

布局指南

對于所有開關(guān)電源，尤其是高頻和高電流的電源，布局是一個重要的設(shè)計(jì)步驟。為減少開關(guān)損耗，應(yīng)盡量縮短SW引腳的上升和下降時間。為防止高頻共振問題的輻射，高頻開關(guān)路徑的正確布局至關(guān)重要。應(yīng)盡量減小與SW引腳連接的所有走線的長度和面積，并始終在開關(guān)調(diào)節(jié)器下方使用接地平面，以最小化平面間耦合。包含PWM開關(guān)、肖特基二極管和輸出電容器的環(huán)路中，電流在納秒內(nèi)上升和下降，應(yīng)盡量縮短該環(huán)路。輸入電容器不僅要靠近VIN引腳，還要靠近GND引腳，以減少IC電源紋波。

熱考慮

在正常工作條件下，應(yīng)將IC的最大結(jié)溫限制在125°C，這限制了TPS61161-Q1的功率耗散?？赏ㄟ^公式 (P{D(max )}=frac{125^{circ} C-T{A}}{R{theta J A}}) 計(jì)算最大允許耗散，其中 (T{A}) 是應(yīng)用的最大環(huán)境溫度，(R{theta J A}) 是熱信息中給出的結(jié)到環(huán)境的熱阻。TPS61161-Q1采用熱增強(qiáng)型SON封裝，包含一個散熱焊盤，可提高封裝的熱性能。SON封裝的 (R{theta J A}) 很大程度上取決于PCB布局和散熱焊盤連接，散熱焊盤必須焊接到PCB上的模擬地，并使用散熱過孔。

七、總結(jié)

TPS61161-Q1作為一款專為汽車應(yīng)用設(shè)計(jì)的白光LED驅(qū)動芯片，憑借其豐富的特性和靈活的功能，為汽車照明和顯示系統(tǒng)提供了可靠的解決方案。在實(shí)際設(shè)計(jì)中，我們需要根據(jù)具體的應(yīng)用需求，合理選擇外部組件，并注意布局和熱管理，以確保芯片發(fā)揮最佳性能。希望本文能為電子工程師在使用TPS61161-Q1進(jìn)行設(shè)計(jì)時提供有益的參考。你在使用這款芯片的過程中遇到過哪些問題呢？歡迎在評論區(qū)分享你的經(jīng)驗(yàn)和見解。