深度解析 TPS65631：AMOLED 顯示電源的理想之選

在電子設(shè)備的電源管理領(lǐng)域，為 AMOLED 顯示屏提供穩(wěn)定且高效的電源解決方案至關(guān)重要。德州儀器（TI）的 TPS65631 雙輸出 AMOLED 顯示電源便是這樣一款性能卓越的產(chǎn)品，下面我們就來詳細(xì)了解一下。

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一、TPS65631 產(chǎn)品概述

TPS65631 專為驅(qū)動(dòng)需要正負(fù)電源軌的 AMOLED（有源矩陣有機(jī)發(fā)光二極管）顯示屏而設(shè)計(jì)。它集成了一個(gè)用于 (V{POS}) 的升壓轉(zhuǎn)換器和一個(gè)用于 (V{NEG}) 的反相降壓 - 升壓轉(zhuǎn)換器，非常適合電池供電的產(chǎn)品。其數(shù)字控制引腳（CTRL）允許以數(shù)字步長對負(fù)輸出電壓進(jìn)行編程，并且采用了一種新穎的技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)出色的線路瞬態(tài)性能。

二、產(chǎn)品特性亮點(diǎn)

（一）輸入輸出特性

1. 輸入電壓范圍：支持 2.9 - 4.5V 的輸入電壓，能適應(yīng)多種電源環(huán)境。
2. 正輸出電壓：固定為 4.6V，在 25°C 至 85°C 的溫度范圍內(nèi)，(V_{POS}) 精度可達(dá) 0.5%，確保了輸出的穩(wěn)定性。
3. 負(fù)輸出電壓：可通過數(shù)字方式在 -1.4V 至 -4.4V 之間進(jìn)行編程，默認(rèn)值為 -4V，滿足不同 AMOLED 顯示屏的需求。
4. 輸出電流：能夠支持高達(dá) 250mA 的輸出電流，為顯示屏提供充足的電力。

（二）性能與保護(hù)特性

1. 線路瞬態(tài)調(diào)節(jié)：具備出色的線路瞬態(tài)調(diào)節(jié)能力，可有效應(yīng)對電源波動(dòng)，保證輸出電壓的穩(wěn)定。
2. 保護(hù)功能：擁有短路保護(hù)和熱關(guān)斷功能，當(dāng)出現(xiàn)短路或溫度過高的情況時(shí)，能及時(shí)保護(hù)設(shè)備，提高系統(tǒng)的可靠性。

（三）封裝特性

采用 3.00mm × 3.00mm、12 引腳的 QFN 封裝，體積小巧，適合對空間要求較高的應(yīng)用場景。

三、引腳配置與功能

TPS65631 共有 12 個(gè)引腳，每個(gè)引腳都有其特定的功能，以下是一些關(guān)鍵引腳的介紹：

1. AGND（5 腳）：模擬地。
2. AVIN（11 腳）：內(nèi)部模擬電路（兩個(gè)轉(zhuǎn)換器）的輸入電源電壓。
3. CT（8 腳）：定時(shí)電容引腳，通過連接電容到地來控制反相降壓 - 升壓轉(zhuǎn)換器輸出從一個(gè) (V_{NEG}) 值過渡到另一個(gè)值所需的時(shí)間。
4. CTRL（7 腳）：控制引腳，兼具設(shè)備使能和反相降壓 - 升壓轉(zhuǎn)換器輸出電壓編程的功能。
5. FBS（4 腳）：升壓轉(zhuǎn)換器輸出電壓的反饋感測引腳。

四、技術(shù)規(guī)格詳解

（一）絕對最大額定值

在正常工作時(shí)，各引腳的輸入電壓有明確的范圍限制，如 SWP、OUTP、FBS、PVIN、AVIN 的輸入電壓范圍為 -0.3V 至 6V 等。同時(shí)，器件的工作結(jié)溫范圍為 -40°C 至 150°C。超出這些絕對最大額定值可能會(huì)對器件造成永久性損壞。

（二）處理額定值

包括存儲(chǔ)溫度范圍（-65°C 至 150°C）、靜電放電（ESD）相關(guān)的人體模型（HBM）、充電設(shè)備模型（CDM）和機(jī)器模型（MM）的額定值等。在存儲(chǔ)和處理過程中，需要注意這些參數(shù)，以防止器件受到靜電損壞。

（三）推薦工作條件

輸入電源電壓范圍為 2.9 - 4.5V，推薦標(biāo)稱值為 3.7V；(V{POS}) 固定為 4.6V，(V{NEG}) 范圍為 -4.4V 至 -1.4V；輸出電流范圍為 300mA；工作環(huán)境溫度范圍為 -40°C 至 85°C，工作結(jié)溫范圍為 -40°C 至 125°C。在這些條件下工作，能保證器件的最佳性能。

（四）熱信息

給出了多種熱指標(biāo)，如結(jié)到環(huán)境的熱阻 (R_{θJA}) 為 51.5°C/W 等。這些熱指標(biāo)對于散熱設(shè)計(jì)非常重要，有助于工程師合理設(shè)計(jì)散熱方案，確保器件在正常溫度范圍內(nèi)工作。

（五）電氣特性

涵蓋了多種參數(shù)，如關(guān)機(jī)電流、欠壓鎖定閾值、輸出電壓、開關(guān)導(dǎo)通電阻、開關(guān)頻率、短路閾值電壓等。這些參數(shù)反映了器件的電氣性能，在設(shè)計(jì)電路時(shí)需要根據(jù)實(shí)際需求進(jìn)行合理選擇和優(yōu)化。

（六）時(shí)序要求

CTRL 接口的高電平脈沖持續(xù)時(shí)間和低電平脈沖持續(xù)時(shí)間要求在 2 - 25μs 之間，以確保正確的編程和控制。

五、功能模塊分析

（一）升壓轉(zhuǎn)換器

采用固定頻率電流模式拓?fù)洌敵鲭妷?(V_{POS}) 固定為 4.6V。為了獲得最高的輸出電壓精度，建議將輸出感測引腳（FBS）直接連接到輸出電容的正引腳。若不使用 FBS 引腳，可將其懸空或接地，此時(shí)升壓轉(zhuǎn)換器將使用 OUTP 引腳感測輸出電壓。

（二）反相降壓 - 升壓轉(zhuǎn)換器

采用恒定關(guān)斷時(shí)間峰值電流模式拓?fù)?，默認(rèn)輸出電壓 (V_{NEG}) 為 -4V，可通過 CTRL 引腳編程在 -1.4V 至 -4.4V 范圍內(nèi)調(diào)節(jié)。通過檢測 CTRL 引腳的上升沿?cái)?shù)量來設(shè)置輸出電壓，同時(shí) CTRL 引腳的脈沖持續(xù)時(shí)間需在 2 - 25μs 之間，否則可能無法被正確識(shí)別。

（三）軟啟動(dòng)和啟動(dòng)序列

具備軟啟動(dòng)功能，可限制浪涌電流。當(dāng) CTRL 引腳接收到高電平信號(hào)使能器件時(shí)，升壓轉(zhuǎn)換器以降低的開關(guān)電流限制開始切換，10ms 后反相降壓 - 升壓轉(zhuǎn)換器以默認(rèn)值 -4V 啟動(dòng)。

（四）使能（CTRL）

CTRL 引腳有兩個(gè)功能，一是使能和禁用器件，二是對反相降壓 - 升壓轉(zhuǎn)換器的輸出電壓 (V{NEG}) 進(jìn)行編程。若不需要數(shù)字接口，可將其作為標(biāo)準(zhǔn)使能引腳使用，此時(shí) (V{NEG}) 為默認(rèn)值 -4V。

（五）欠壓鎖定

當(dāng)輸入電源電壓過低，無法正常工作時(shí)，欠壓鎖定功能會(huì)禁用器件，保護(hù)器件免受低電壓的影響。

（六）短路保護(hù)

對 (V{POS}) 和 (V{NEG}) 到地以及相互之間的短路情況進(jìn)行保護(hù)。在正常運(yùn)行和啟動(dòng)過程中，若檢測到短路情況，器件將進(jìn)入關(guān)機(jī)模式，需要通過循環(huán)輸入電源電壓或切換 CTRL 引腳的高低電平來恢復(fù)正常運(yùn)行。

（七）關(guān)機(jī)時(shí)輸出放電

在關(guān)機(jī)時(shí)，TPS65631 會(huì)主動(dòng)對其輸出進(jìn)行放電，確保系統(tǒng)的安全性。

（八）熱關(guān)斷

當(dāng)器件的結(jié)溫超過 145°C（典型值）時(shí)，將進(jìn)入熱關(guān)斷模式，此時(shí)器件的所有功能都將停止。同樣，需要通過循環(huán)輸入電源電壓或切換 CTRL 引腳的高低電平來恢復(fù)正常運(yùn)行。

六、應(yīng)用與實(shí)現(xiàn)

（一）典型應(yīng)用電路

適用于智能手機(jī)應(yīng)用中的 AMOLED 顯示屏供電，電路設(shè)計(jì)為從單節(jié)鋰離子電池供電，產(chǎn)生 4.6V 的正輸出電壓 (V_{POS}) 和 -4V 的負(fù)輸出電壓，兩個(gè)輸出都能夠提供高達(dá) 300mA 的輸出電流。

（二）設(shè)計(jì)要求與詳細(xì)設(shè)計(jì)步驟

1. 設(shè)計(jì)參數(shù)：輸入電壓范圍為 2.9 - 4.5V，輸出電壓 (V{POS}) 為 4.6V，(V{NEG}) 為 -4V，開關(guān)頻率為 1.7MHz。
2. 電感選擇：升壓轉(zhuǎn)換器和反相降壓 - 升壓轉(zhuǎn)換器推薦使用 4.7μH 的電感，其他電感值可能需要根據(jù)具體情況進(jìn)行性能評(píng)估。
3. 電容選擇：推薦使用特定的電容值，如 C1 為 2×10μF、C2 為 10μF 等。使用小于推薦電容值可能會(huì)導(dǎo)致電壓紋波增加，一般輸出功率越低，所需電容值也越低。
4. 穩(wěn)定性：使用與推薦值差異較大的元件值時(shí)，需要在整個(gè)工作條件范圍內(nèi)檢查電路的穩(wěn)定性。

（三）應(yīng)用曲線

通過實(shí)際測試得到了效率與輸出電流、啟動(dòng)波形、開關(guān)電壓、電感電流和輸出電壓紋波等曲線，這些曲線直觀地展示了器件在不同工作條件下的性能表現(xiàn)，為工程師的設(shè)計(jì)提供了重要參考。

七、電源供應(yīng)與布局建議

（一）電源供應(yīng)

TPS65631 設(shè)計(jì)的輸入電壓范圍為 2.9 - 4.5V，若輸入電源與器件距離較遠(yuǎn)，可能需要額外的大容量電容。數(shù)據(jù)手冊中的 2×10μF 電容是常見的選擇。

（二）布局指南

1. 在頂層使用短而寬的走線來路由開關(guān)電流，避免通過過孔，因?yàn)檫^孔具有較高的寄生電感和電阻。
2. 將電容 C1、C2、C3 分別盡可能靠近引腳 12、3、9 放置。
3. 將電感 L1、L2 分別盡可能靠近引腳 1、10 放置。
4. 使用散熱焊盤連接 GND、AGND 和 PGND。
5. 將 FBS 引腳直接連接到 C2 的正引腳，保持該連接與 OUTP 和 C2 之間的連接分開。
6. 在第二層使用銅箔作為散熱片，并通過多個(gè)熱過孔將散熱焊盤與之連接。

八、總結(jié)

TPS65631 以其豐富的功能、出色的性能和良好的保護(hù)特性，成為 AMOLED 顯示電源的理想選擇。在設(shè)計(jì)過程中，工程師需要根據(jù)具體的應(yīng)用需求，合理選擇元件參數(shù)，優(yōu)化電路布局，以充分發(fā)揮該器件的優(yōu)勢。大家在使用 TPS65631 進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，是否也遇到過一些挑戰(zhàn)呢？歡迎在評(píng)論區(qū)分享你的經(jīng)驗(yàn)和想法。