TPS65154：一款集成度極高的LCD偏置解決方案

在當今的電子設(shè)備中，LCD顯示屏的應(yīng)用無處不在，從筆記本電腦到平板電腦，都離不開LCD提供的視覺交互體驗。而TI推出的TPS65154正是一款專門為LCD偏置和背光功能設(shè)計的集成電路，它集成了豐富的功能，能有效簡化設(shè)計并提高系統(tǒng)性能。今天，咱們就來深入了解一下這款芯片。

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一、產(chǎn)品概述

TPS65154是一款緊湊的LCD偏置解決方案，主要應(yīng)用于筆記本電腦和平板電腦。它集成了多種功能單元，包括兩個升壓轉(zhuǎn)換器、一個線性穩(wěn)壓器、一個可編程VCOM校準器、一個門電壓整形功能以及一個6通道WLED驅(qū)動器。這種高度集成的設(shè)計減少了外部元件的使用，降低了設(shè)計復(fù)雜度和成本。

1.1 產(chǎn)品特性

• 寬輸入電壓范圍：支持2.0V至5.5V的輸入電壓，適用于多種電源系統(tǒng)。
• 多類型轉(zhuǎn)換器：包含同步升壓轉(zhuǎn)換器（AVDD）、非同步升壓轉(zhuǎn)換器（VGH）、負電荷泵（VGL）和低壓差線性穩(wěn)壓器（VCC），能滿足LCD不同部分的供電需求。
• 可編程VCOM校準器：集成緩沖放大器，可靈活調(diào)整VCOM電壓。
• 6通道WLED驅(qū)動器：支持直接調(diào)光和相移調(diào)光模式，能實現(xiàn)精確的背光控制。
• 其他功能：具備門電壓整形、面板復(fù)位信號（XAO）、T-CON復(fù)位信號（RST）、片上EEPROM以及I2C接口等。

1.2 應(yīng)用場景

主要用于筆記本電腦和平板電腦，為LCD顯示屏的正常工作提供必要的偏置電壓和背光驅(qū)動。

1.3 產(chǎn)品描述

該芯片集成了LCD偏置和背光所需的各種功能。通過兩個升壓轉(zhuǎn)換器為LCD面板的源極驅(qū)動器和柵極驅(qū)動器供電，線性穩(wěn)壓器為系統(tǒng)邏輯電壓供電，可編程VCOM配合高速放大器提供精確的VCOM電壓，門電壓整形功能可減少圖像殘留，6通道WLED驅(qū)動器則為LCD提供均勻的背光。

二、引腳配置與功能

TPS65154采用48引腳、6mm×6mm、0.4mm間距的VQFN封裝。每個引腳都有其特定的功能，下面列舉一些關(guān)鍵引腳：

• VIN：正電源輸入引腳，為芯片提供電源。
• AVDD：升壓轉(zhuǎn)換器1的輸出電壓檢測和整流輸出引腳。
• VCC：線性穩(wěn)壓器的輸出引腳，為系統(tǒng)邏輯部分提供穩(wěn)定電壓。
• VGH和VGL：分別為正、負電壓輸出引腳，為LCD面板的柵極驅(qū)動器提供所需電壓。
• VCOM：可編程VCOM緩沖器的輸出引腳，用于調(diào)整LCD面板的公共電壓。
• IFB1 - IFB6：WLED驅(qū)動器的通道輸出引腳，用于控制6通道的WLED背光。
• SCL和SDA：I2C接口的時鐘和數(shù)據(jù)線，用于配置芯片參數(shù)。

三、規(guī)格參數(shù)

3.1 絕對最大額定值

芯片引腳的電壓和電流都有其絕對最大額定值，超過這些值可能會對芯片造成永久性損壞。例如，VIN引腳的電壓范圍為 - 0.3V至7V，VGL引腳的電壓范圍為 - 10V至0.3V等。在設(shè)計時，必須確保電路中的電壓和電流不超過這些額定值。

3.2 ESD額定值

該芯片的人體模型（HBM）ESD額定值為2000V，帶電設(shè)備模型（CDM）ESD額定值為700V。這意味著在處理和使用芯片時，需要采取適當?shù)姆漓o電措施，以避免ESD對芯片造成損壞。

3.3 推薦工作條件

為了確保芯片的正常工作和性能，需要在推薦的工作條件下使用。例如，VIN的正常工作電壓范圍為2.0V至5.5V，EEPROM編程時的電壓范圍為2.6V至5.5V等。每個功能模塊都有其相應(yīng)的輸出電壓、電流和電容等參數(shù)要求。

3.4 熱信息

芯片的熱性能對于其穩(wěn)定性和可靠性至關(guān)重要。TPS65154給出了多種熱參數(shù)，如結(jié)到環(huán)境的熱阻（RθJA）為29.8°C/W，結(jié)到板的熱阻（RθJB）為5.2°C/W等。在設(shè)計PCB時，需要考慮散熱問題，以確保芯片在正常的溫度范圍內(nèi)工作。

3.5 電氣特性

芯片的電氣特性描述了其在不同條件下的性能表現(xiàn)。例如，線性穩(wěn)壓器（VCC）的輸出電壓公差為±3%，升壓轉(zhuǎn)換器1（AVDD）的輸出電壓范圍為6.5V至9.6V，負電荷泵（VGL）的輸出電壓范圍為 - 5V至 - 8V等。這些特性對于電路的設(shè)計和優(yōu)化非常重要。

3.6 時序要求

每個功能模塊都有其特定的啟動延遲時間、軟啟動持續(xù)時間和開關(guān)頻率等時序要求。例如，線性穩(wěn)壓器的啟動延遲時間（tDLY1）范圍為0至75ms，升壓轉(zhuǎn)換器1的軟啟動持續(xù)時間（tSS2）范圍為0.5至75ms等。在設(shè)計電路時，需要嚴格按照這些時序要求進行配置，以確保芯片的正常工作。

四、詳細功能描述

4.1 線性穩(wěn)壓器（VCC）

線性穩(wěn)壓器直接由VIN引腳供電，其輸出電壓可通過VCC寄存器編程為1.0V、1.2V、1.89V或2.5V。在電源電壓超過欠壓鎖定閾值后，線性穩(wěn)壓器開始工作，且沒有軟啟動功能，其輸出電壓會根據(jù)電源電壓的上升率和輸出電容快速上升。當電源電壓低于欠壓鎖定閾值時，線性穩(wěn)壓器關(guān)閉，VCC會主動放電。該穩(wěn)壓器還具備短路和欠壓保護功能，當輸出電壓低于設(shè)定值的70%且持續(xù)時間超過50ms時，判定為欠壓故障，芯片將被禁用；當輸出電壓低于設(shè)定值的30%時，判定為短路故障，芯片立即禁用。

4.2 升壓轉(zhuǎn)換器1（AVDD）

升壓轉(zhuǎn)換器1采用同步和虛擬電流模式拓撲，具有高效率、可在連續(xù)導(dǎo)通模式下工作以及在禁用時提供真正的輸入 - 輸出隔離等優(yōu)點。其開關(guān)頻率可通過FSW1寄存器編程為400kHz、600kHz、800kHz或1MHz，輸出電壓可在6.5V至9.6V之間以100mV的步長進行編程。該轉(zhuǎn)換器通過連接到COMP1引腳的外部補償網(wǎng)絡(luò)來穩(wěn)定反饋環(huán)路，在一些應(yīng)用中，可能需要在COMP1引腳和地之間添加額外的補償電容。在啟動時，轉(zhuǎn)換器會在RST信號變高后延遲tDLY2毫秒開始工作，并在tSS2毫秒內(nèi)逐漸升高輸出電壓，以減少啟動時的浪涌電流。當VIN低于欠壓鎖定閾值時，轉(zhuǎn)換器禁用，并主動放電AVDD。同時，該轉(zhuǎn)換器也具備短路和欠壓保護功能。

4.3 升壓轉(zhuǎn)換器2（VGH）

升壓轉(zhuǎn)換器2采用非同步和恒定關(guān)斷時間拓撲，其開關(guān)頻率會根據(jù)VIN和VGH自動調(diào)整。該轉(zhuǎn)換器采用峰值電流控制，設(shè)計為永久在不連續(xù)導(dǎo)通模式（DCM）下工作，以確保在寬范圍的輸出電壓和電流下穩(wěn)定運行。其輸出電壓可通過VGH寄存器在18V至25.5V之間進行編程。在VGL電壓下降完成后，轉(zhuǎn)換器開始工作，并在tSS4秒內(nèi)將VGH線性升高到設(shè)定值。當VIN低于欠壓鎖定閾值時，轉(zhuǎn)換器禁用，但其輸出不會主動放電。同樣，該轉(zhuǎn)換器也具備短路和欠壓保護功能。

4.4 負電荷泵（VGL）

負電荷泵將AVDD反相并將其輸出調(diào)節(jié)到VGL寄存器設(shè)定的電壓值，VGL可在 - 5V至 - 8V之間以0.2V的步長進行編程。但由于負電荷泵是通過反相AVDD來生成輸出電壓，實際可生成的最負電壓約為 - AVDD + 1V。該電荷泵完全集成，只需兩個外部電容即可工作。在升壓轉(zhuǎn)換器1開始工作后延遲tDLY3毫秒開始工作，并在tSS3毫秒內(nèi)將輸出電壓從0線性升高到設(shè)定值。當電源電壓低于欠壓鎖定閾值時，電荷泵禁用，其輸出會主動放電到地。該電荷泵也具備短路和欠壓保護功能。

4.5 門電壓整形

門電壓整形功能可通過調(diào)制LCD面板的柵極導(dǎo)通電壓（VGH）來減少圖像殘留。該功能由FLK輸入控制，當FLK為高電平時，VGHM等于VGH；當FLK下降沿到來時，連接到VGHM引腳的LCD面板負載會通過連接到RE引腳的外部電阻放電。在電源啟動時，VGHM引腳會被拉低到地，直到升壓轉(zhuǎn)換器2完成升壓后延遲tDLY4毫秒；在電源關(guān)閉時，Q1保持導(dǎo)通，Q2、Q3和Q4保持關(guān)閉。

4.6 面板放電（XAO）

TPS65154通過XAO引腳提供一個輸出信號，可在電源關(guān)閉時將顯示面板的柵極驅(qū)動器IC的輸出拉高。當VIN低于VDET閾值時，XAO引腳被拉低，VDET閾值可通過VDET寄存器進行配置。XAO輸出為開漏類型，需要外部上拉電阻，阻值通常在10kΩ至100kΩ之間。

4.7 復(fù)位發(fā)生器（RST）

RST引腳為系統(tǒng)的其他部分生成一個低電平有效復(fù)位信號。在電源啟動時，當VCC完成升壓后，復(fù)位定時器開始計時，復(fù)位脈沖持續(xù)時間tRST可通過RESET寄存器在0至15ms之間進行編程。RST信號變高后會被鎖存，直到設(shè)備斷電才會再次變低。有源斷電閾值（VUVLO或VDET）可通過CONFIG寄存器中的RMODE位進行選擇。RST輸出為開漏類型，需要外部上拉電阻，阻值推薦在10kΩ至100kΩ之間。

4.8 可編程VCOM

可編程VCOM使用三個數(shù)模轉(zhuǎn)換器（DAC）生成VCOM電壓，然后通過高速運算放大器進行緩沖。VCOM的最大值由4位VMAX寄存器設(shè)定，取值范圍為2.5/8 × AVDD至4/8 × AVDD；最小值由4位VMIN寄存器設(shè)定，取值范圍為2/8 × AVDD至3.5/8 × AVDD，且VMAX必須大于VMIN。通過編程7位VCOM參數(shù)，用戶可以在VMIN和VMAX之間調(diào)整VCOM電壓。該功能有三個寄存器：易失性Wiper寄存器（WR）、非易失性初始值寄存器（IVR）和控制寄存器（CR）。CR寄存器決定數(shù)據(jù)是寫入或讀取WR、IVR還是兩者。

4.9 WLED驅(qū)動器

4.9.1 WLED升壓轉(zhuǎn)換器

WLED升壓轉(zhuǎn)換器將4.5V至24V的電源V BAT升壓到更高的電壓，為連接到WLED驅(qū)動器的LED燈串供電。它采用固定頻率、電流模式拓撲，輸出電壓會自動調(diào)整，以保持最低反饋電壓（IFB1至IFB6）在450mV至750mV之間，從而確保輸出電流吸收器有足夠的裕量，同時避免芯片消耗過多的功率。該轉(zhuǎn)換器的開關(guān)頻率可通過FSW3寄存器編程為400kHz、600kHz、800kHz或1MHz。此外，該轉(zhuǎn)換器還具有軟啟動電路，可限制啟動時的浪涌電流。

4.9.2 電流吸收器

LED燈串的亮度由每個燈串的平均電流決定，而平均電流是輸出占空比和電流吸收器輸出電流的乘積。所有電流吸收器的輸出電流相同，由連接在ISET引腳和地之間的外部電阻設(shè)定。當TPS65154檢測到某個IFB引腳沒有電流時，會判定該燈串開路，并自動禁用該輸出通道，隨后WLED升壓轉(zhuǎn)換器會根據(jù)剩余的工作燈串來調(diào)節(jié)輸出電壓。

4.9.3 保護功能

WLED升壓轉(zhuǎn)換器和調(diào)光電路具備多種保護方案，如輸出過壓保護、開關(guān)過流保護、所有LED燈串開路保護、單個LED燈串開路或短路保護等，以確保在各種故障模式下可靠運行。

4.9.4 使能和啟動

WLED驅(qū)動器由EN信號控制使能和禁用，但該信號在LCD偏置功能完成啟動序列之前無效。在POR之后，EN信號在tDLY4完成之前無效，之后可以隨時使用EN信號和PWM信號來使能和禁用WLED驅(qū)動器。在不產(chǎn)生EN信號的應(yīng)用中，可將EN引腳連接到VIN，此時WLED驅(qū)動器會在tDLY4結(jié)束時自動啟動。需要注意的是，永久的低電平PWM信號（0%占空比）會阻止升壓轉(zhuǎn)換器3啟動。

4.10 欠壓鎖定

欠壓鎖定功能可在電源電壓過低時禁用芯片，以確保芯片在合適的電壓下工作，避免出現(xiàn)異常。

五、設(shè)備功能模式

5.1 調(diào)光模式

TPS65154支持直接調(diào)光和相移調(diào)光兩種模式?？赏ㄟ^CONFIG寄存器中的DMODE位選擇當前的調(diào)光模式。

• 直接調(diào)光：在直接調(diào)光模式下，輸出電流吸收器直接由PWM信號控制，它們會以與PWM信號相同的頻率和占空比同時開啟和關(guān)閉。
• 相移調(diào)光：在相移調(diào)光模式下，輸出調(diào)光頻率與PWM信號的頻率無關(guān)，可通過FDIM寄存器在15kHz至22kHz之間獨立編程。在該模式下，PWM信號中的占空比信息會被提取并用于生成多達六個輸出，這些輸出以FDIM寄存器設(shè)定的頻率輸出，且彼此之間相移360°/N（N為正在使用的輸出通道數(shù)）。這種相移輸出可以減少升壓轉(zhuǎn)換器輸出的最大負載電流階躍，從而降低電壓紋波和可聽噪聲。

5.2 電源排序

5.2.1 上電過程

上電時，各部分按照一定的順序啟動：VCC在VIN超過欠壓鎖定閾值tDLY1秒后開始升壓；RST信號初始為低電平，在VCC完成升壓后tRST秒變?yōu)楦唠娖?；AVDD在RST變高后tDLY2秒開始升壓；VGL在AVDD開始升壓后tDLY3秒開始升壓；VGH在VGL完成升壓后開始升壓；VGHM初始為低電平，在VGH完成升壓后tDLY4秒，門電壓整形功能啟用，VGHM跟隨FLK的狀態(tài)；XAO初始為低電平，在VIN超過VDET閾值后tDLY6秒變高；WLED驅(qū)動器在AVDD完成升壓且EN信號有效時被啟用。

5.2.2 下電過程

下電時，當VIN低于欠壓鎖定閾值時，VCC、AVDD、VGH和VGL禁用；當VIN低于XAO和RST信號選擇的閾值時，XAO和RST信號變低；當EN = 0或VIN低于欠壓鎖定閾值時，WLED驅(qū)動器關(guān)閉。

六、編程配置

6.1 配置分類

TPS65154將配置參數(shù)分為兩類：配置參數(shù)和VCOM。在典型應(yīng)用中，除VCOM外的所有配置參數(shù)通常由分包商在PCB組裝期間進行編程，而VCOM則由顯示制造商在顯示校準期間進行編程。

6.2 I2C接口

該芯片采用行業(yè)標準的I2C接口，支持標準和快速模式操作。配置參數(shù)的訪問地址為74h，VCOM的訪問地址為28h。同時，芯片還提供了寫保護功能，通過WP引腳防止配置參數(shù)被意外更改。WP引腳內(nèi)部上拉，需要主動拉低才能訪問EEPROM或RAM寄存器。寫保護功能可通過CONFIG寄存器中的WPEN位進行啟用和禁用。

6.3 編程示例

文檔中詳細給出了多種編程示例，包括向單個RAM寄存器寫入數(shù)據(jù)、向多個RAM寄存器寫入數(shù)據(jù)、將所有RAM寄存器的內(nèi)容保存到EEPROM、從單個RAM寄存器讀取數(shù)據(jù)、從單個EEPROM寄存器讀取數(shù)據(jù)、從多個RAM寄存器讀取數(shù)據(jù)以及從多個EEPROM寄存器讀取數(shù)據(jù)等操作的具體步驟和信號時序。這些示例為工程師進行芯片配置提供了詳細的指導(dǎo)。

6.4 寄存器映射

6.4.1 配置寄存器（不包括VCOM）

文檔中列出了多個配置寄存器，每個寄存器都有其特定的功能和位分配。例如，CONFIG寄存器用于設(shè)置各種配置位，如禁用某些轉(zhuǎn)換器、啟用或禁用寫保護功能、選擇調(diào)光模式和復(fù)位閾值等；VCC寄存器用于設(shè)置線性穩(wěn)壓器的輸出電壓；DLY1寄存器用于設(shè)置線性穩(wěn)壓器的啟動延遲時間等。通過對這些寄存器進行編程，可以實現(xiàn)對芯片各種功能的靈活配置。

6.4.2 VCOM寄存器

VCOM寄存器包括VCOM DATA寄存器和VCOM CONTROL寄存器。VCOM DATA寄存器用于設(shè)置VCOM電壓的值；VCOM CONTROL寄存器為只寫寄存器，通過其中的SEL位可以決定對VCOM DATA寄存器的讀寫操作是訪問IVR、WR還是兩者。

七、應(yīng)用與實現(xiàn)

7.1 應(yīng)用信息

TPS65154主要用于筆記本電腦和平板電腦應(yīng)用，需要兩個電源電壓：一個用于LCD偏置功能的3.3V或5V穩(wěn)壓電源，以及一個直接連接到電池的電源，用于WLED驅(qū)動器功能。芯片的配置參數(shù)通過I2C接口設(shè)置，并存儲在片