TPS65150中文资料

注：蓝色小矩形为超链接
LCD驱动
TPS65150提供小功率电源解决方案，它提供了TFT-LCD所需的VGH,VGL,VCOM电压。

其中VGH和VGL通过TFT驱动IC提供了TFT的Gate电压，当Gate端为VGL时，液晶关闭；当Gate端为VGH时，液晶开启。

VGL电压范围为-5.5~（-6.5）V,VGH电压范围为17~19V。

VCOM 缓冲器是被用来驱动TFT-LCD 背板的，电压范围3.8~4.0V。

TPS65150通过内部主升压转换器将输入直流电压进行升压，这个电压为正电荷泵，负电荷泵和VCOM缓冲器供电，进而输出TFT所需的三种电压VGH,VGL,VCOM。

低输入电压，紧凑型LCD偏置IC，具有VCOM缓冲器
特征
输入电压范围：1.8V-6V
集成VCOM缓冲器
用高压开关来隔离VGH
VGH的栅极电压整形
内嵌2A MOSFET开关
主输出电压达到15V，具有小于1%误差的输出电压精度
负调节电荷泵驱动器VGL
正调节电荷泵驱动器VGH
可调加电排序
可调故障检测时序
栅极驱动信号隔离外部MOSFET
热关断
可选封装TSSOP-24,QFN-24
应用
TFT LCD显示屏的笔记本电脑
TFT LCD显示屏的监视器
汽车导航显示器
概述
该TPS65150提供了一个非常紧凑，小功率电源解决方案，它提供了TFT LCD显示屏所需的所有三个电压。

该芯片输入电压范围1.8V-6V，非常适用于2.5V或3.3V电压轨驱动的笔记本电脑或者5V输入电压轨的显示器设备。

此外，TPS65150还集成了大电流缓冲器为TFT底板提供VCOM电压。

两个可调稳压电荷泵驱动器为TFT提供正向偏压VGH和负向偏压VGL。

该器件集成了对VGL和VGH测序可调电源。

这样就避免了任何额外的外部组件来影响设备的具体测序。

用户也可使用同样的内部电路为LCD 面板（受施加到CTRL 输入上的信号控制）提供一个VGH 栅极整形信号。

为了实现最高安全性，TPS65150 有一个集成可调关断锁定特性来实现应用专用灵活性。

此器件监视输出(VS，VGL，VGH）；并且，一旦其中一个输出下降到低于其电源正常阀值以下，此器件在经过它的可调延迟时间后进入关断锁定。

典型应用电路
管脚功能
1)主升压转换器(Main Boost Converter )
主升压转换器进行操作使用脉冲宽度调制（PWM）和1.2MHz的固定开关频率。

该转换器采用独特的快速响应，采用输入电压正反馈的电压模式控制方案。

这使得器件具有优异的线性性能和带负载能力（0.16％/ A负载调节典型值），这也使得只需要外接一些小型的元器件。

为了获得更加灵活的外接元器件的选择，器件使用了外加的环路补偿。

尽管升压模块运行在看似非同步的拓扑间断模式，但TPS65150 还是维持了连续的导通状态甚至是在轻负载
状况下。

这是通过虚拟同步转换技术来提高了负载瞬态响应。

在结构上，是通过外接一个
肖特基二极管和内置的MOSFET在SW 引脚和SUP 引脚之间做并联实现的。

那个内置的MOSFET可以使电感电路在轻负载的情况下变成负极。

为了达到这个目的，一个小的内置P 沟道的MOSFET 只要10Ω就足够了。

当电感电路变成正极的时候，外接的肖特基二极管的导通电压更低。

这使得转换器可以在整个负载电流范围内以一个固定的频率工作在连续导通的模式。

这避免了标准非同步升压转换器开关引脚上的振铃。

同时，也使得升压电路可以用更简单的方式补偿。

2)软启动(Soft Start )
主升压模块，正负电荷泵都有一个内置的软启动。

这避免了过大的电压落差以及带来的大电流涌入输入电压轨。

在主升压模块的软启动期间，内置的电流阈值会增加3 次。

器件第一步启动的时候限流会达到典型值的2/5，接着经过2048个时钟周期之后电流阈值会达到3/5，再经过2048个周期之后，阈值会达到最大限流值。

这里给出典型的启动时间大约为5ms。

3)可调故障延时(Adjustable Fault Delay )
该TPS65150有一个可调延时定时器集成关闭整个设备发生故障时的输出。

启动时故障定时器激活。

连接FDLY与Vin的电容决定延迟时间。

从输出(VS，VGL，VGH）其中一个输出下降到低于其电源正常阀值以下开始直到器件进入关断锁定所经历的时间为延迟时间。

故障延时定时器在启动时同时被激活，器件将会关断当主升压转换器VS的输出电压在故障延时时间结束后并没有达到其电源良好阈值。

使用外部隔离开关的情况，如图24 所示，在启动时芯片提供短路保护。

要重启芯片，输入电压要周期性的接地。

将FDLY连接到Vin可以失能关断功能。

故障延迟时间计算如下：
4)正充电泵（Positive Charge Pump ）
通过外接电阻分压网络设计正充电泵，正充电泵提供调控输出电压。

在第一个周期Q3打开，飞电容Cfly向电压源Vs充电。

在第二个时钟周期Q3关断，电流源向DRVP充电，电压将上升到供应电压VSUP。

由于飞跨电容器电压就位于驱动引脚电压顶部的最大输出电压为VGH= VSUP+ VS-Vdrop时。

Vdrop横跨外部二极管和内部电荷泵的MOSFET上的电压降。

如果要输出较高的电压，需要另一个电荷泵级可以被添加到输出，如在规格书的末尾示于图21。

使用高阻抗反馈分压网络可以使静态电流最小。

选用的反馈电阻最大值不应该超过1M Ω。

输出电压设计如下：
5)负充电泵（Negative Charge Pump ）
通过外接电阻分压网络设计负充电泵，负充电泵提供调控输出电压。

负充电泵的工作原理与正充电泵非常相似，不同之处就在于电源引脚SUP输出电压反相。

单级电荷泵变换器的最大输出电压为VGL=(-VSUP)+Vdrop。

Vdrop横跨外部二极管和内部电荷泵的MOSFET上的电压降。

输出电压设计：
低边反馈电阻值，R4，阻值范围应为40kΩ-120kΩ，或者整体反馈电阻应在500kΩ-1MΩ。

阻值较小反馈比重太大，阻值较大可能产生稳定性问题。

负充电泵需要外接两个肖特基二极管。

肖特基二极管的峰值电流必须为输出负载电流的两倍。

对于20mA的输出电流，BAT54双肖特基二极管是一个很好的选择。

6)上电时序(Power-on Sequencing )，DLY1,DLY2
当施加的输入电压上升到UVLO（欠压锁定）时，芯片启动主升压转换器，Vs 将最先产生。

负电压VGL随之产生，延时时间通过DLY1确定。

然后正电压VGH产生，延时时间通过DLY2确定。

最后VCOM缓冲器启动。

延时时间通过与DLY1 和DLY2引脚相连的电容设定。

一个内部电流源以5μA的恒流向电容充电直到电容电压达到内部补偿触发点Vref =1.213V。

7)设置延时(Setting the Dalay Times )DLY1,DLY2
通过与DLY1和DLY2相连的电容来设置延时时间。

如果不需要延时可以将引脚悬空。

为了设置延时时间，一般以5μA恒流向外接电容充电。

延时时间在电容电压达到内部基准电压Vref=1.213V时终止。

电容计算如下：
8)栅极驱动(Gate Drive )，GD
栅极驱动引脚用来驱动外接MOSFET，与主升压转换器Vs隔离。

栅极驱动的漏极开路输出能够下沉典型的500μA。

一旦主升压转换器Vs 达到电源良好阈值,栅极驱动器被锁定在低电平。

当输入电压低于欠压锁定UVLO或者器件因错误延时进入关断闩时栅极驱动信号进入高阻态。

9)VGH开关/栅极电压整形(VGH Switch/Gate Voltage Shaping )，CPI-VGH
栅极电压整形电路通过缩短正栅极电压VGH的下降时间可以降低LCD像素之间的串扰。

如果栅极电压整形功能不用的话用将CTRL引脚与Vin 相连。

这个功能是通过调节由正电荷泵产生的栅极信号电压VGH的下降时间来实现。

下降时间可以通过与ADJ相连的外部电容Cadj 调节。

相应的时序图如下：
施加到CTRL控制信号设置VGH的定时。

当CTRL为高时，Q5打开，正充电泵施加到CPI，VGH产生。

与此同时，与ADJ相连的电容被Q7充电，Q7电压上升VGH，Q6关断。

当CTRL 设为低时，Q5和Q7关断，随着电容以放电电流I ADJ(200μA)放电Q6缓慢打开。

电容C ADJ 的电容值决定了VGH的下降时间。

给定关断时间，电容值取决于电压落差ΔV。

（C=Q/U）
当输入电压低于欠压锁定阈值（UVLO）或者因错误的延时定时触发进入关断闩，VGH将不会通过Q5与CPI连接而处于高阻态。

10)热关断(Thermal Shutdown )
热关断是被用来防止过热和功率损耗带来的毁坏。

典型的，热关断的阈值是155℃。

如果达到了这个温度，器件会关断。

只要循环地将输入电压接地就可以使器件再次启动工作。

11)VCOM（共模电压）缓冲器(VCOM Buffer )
VCOM 缓冲器是被用来驱动TFT-LCD 背板的。

VCOM缓冲器是一个用来驱动电容负载的跨导放大器。

IN 是VCOM 缓冲器的输入端。

如果应用电路不需要这个VCOM 缓冲器，那么可以将IN 直接接地关断VCOM 缓冲器，从而可以减少静态电流损耗。

VCOM 缓冲器实现软启动功能，避免在Vs 上电时带来的电压的大跳变。

IN 不能在器件运行的时候被动态地拉至地。

VCOM 缓冲器典型的输出电压是将只输出电压Vs 取半然后加上一个小的补偿电压。

TFT 视频信号是通过TFT 储能电容和LCD 晶格电容耦合到VCOM 缓冲器输出电压上的。

因此短电流脉冲会出现在正负极方向，影响在VCOM 缓冲器上。

为了使电流脉冲引起的电压纹波最小，一个跨导放大器必须要有一个电流源输出，一个输出电容器也要用上。

输出电容可以吸收电流脉冲的高频部分。

VCOM 缓冲器只需要处理电流脉冲的低频部分。

对于大多数应用电路，一个1μ F 的陶瓷电容就已经很好了。

当你使用其他电容值的电容时，一定要记得，这个电容是存在于整个VCOM 缓冲器环路之中的，他影响整个环路的稳定性。

12)升压转换器设计步骤(Boost Converter Design Procedure )
设计的第一步就是在给定的输入输出电压条件下计算出主升压模块的最大可能输出电流。

1、占空比：
2、最大输出电流：
3、开关电流峰值：
集成开关、电感、外加的肖特基二极管必须要能承受开关电流的峰值。

计算出的开关电流峰值必须等于或者比电气特性表里给出的N-MOSFET 开关电流的极小值还要小。

如果开关电流峰值高了，那么升压器将无法提供需要的负载电流了。

最小输入电压必须要计算好。

计算时，一定要把电感上和传输线上的损耗考虑进去。

在实际应用中，往往要把开关电流的峰值设置高一点。

这样的计算可以得到很好的设计和器件的选择。

13)电感选择(Inductor Selection )
TPS65150的运行需要一些电感的配合。

特别是外加的补偿元件。

具体的参数可以根据具体的应用进行调整。

电感选择时的主要的参数是要考虑电感的饱和电流要比开关电流的峰值要高，要考虑到重负载的情况和极端的启动条件。

另外一个方法是选择一个饱和电流最小都要比典型开关电流限定值2.5A 要高。

不同的电流限制将使需要更小的输出时选择小一点的电感。

第二个比较重要的参数是电感的直流阻抗。

通常电感直流阻抗越小，效率越高。

然而电感的直流阻抗并不是效率的唯一决定条件。

特别是对于一个升压模块而言，电感是一个储能元件，电感的材质也能影响效率。

特别当开关频率达到 1.2MHz 的时候，电感的磁芯损耗、接近效应、趋肤效应也会对效率影响很大。

通常，一个电感的形状系数越高效率越高。

不同的电感的效率差异会达到2%到10%。

比如TPS65150 ，电感在3.3μH 到6.8μH 之间是比较好的。

其他的电感值也是可以的。

可选的电感如下表所示：
14)输出电容选择(Out Capacitor Selection )
输出电压的最好的滤波器，推荐使用一个低的ESR 输出电容。

陶瓷电容有一个低的ESR 值，但是依据不同的应用，钽电容也能使用。

一个22μ F 的陶瓷电容是用的最多的。

更高的容值的电容可以使得负载的瞬态稳态更好。

看下表对于输出电容的选择。

15)输入电容选择(Input Capacitor Selection )
要想输入电路得到很好的滤波处理，那么推荐使用低ESR 的陶瓷电容。

一个22μ F 陶瓷电容足以应用于大多数应用。

要想获得更好的滤波特性，那么这个值可以提高。

典型可选电容见下表：
16)整流二极管选择(Rectifier Diode Selection )
为了获得高效率，一个肖特基二极管必须使用。

其额定电压必须要比升压模块的最大输出电压要大。

平均导通电流必须等于转换电感的平均电流。

影响转换器效率的最大因素是二极管的导通电压和反向漏电流，他们越小越好。

17)设计输出电压(Setting the Output Voltage)
通过外接电阻分压网络计算输出电压，计算如下：
18)补偿（COMP）和正反馈电容（Compensation and feedforward capacitor ）
调节回路可以通过调节与COMP引脚相连的外部元件来补偿。

COMP引脚是内部误差放大器的输出。

补偿电容调整低频增益。

加入串联的电阻会增加高频增益。

在上面的一个电阻上需要跨接一个旁路电容，这样再负载发生跳变的时候可以提高回路的速度。

由于转换器增压会随输入电压变化，所以需要不同的补偿电容。

较低的输入电压需要较高的增益，因此需要一个较小的补偿电容。

横跨升压转换器的反馈电阻分压网络的前馈电容在fz频率处设置了一个附加的零点来补偿环路。

Fz的典型值如Table 4所示，正反馈电容取值计算如下：
19)Layout 布局考虑
对于多有开关电源电路来说，布局始终都是一个重要的设计步骤。

特别是高峰值电流和高开关频率的电路。

如果布局设计考虑不好，那么调压器会显现不稳定或EMI 的问题。

因此在布线时，应该采用又短又粗的走线。

输入滤波电容器应该尽可能地放在靠近引脚和芯片的位置。

可以参考给出的评价模块参考布局。

1、升压转换器输出电容，输入电容和电源接地（地线）应该从一个星形接地或应直接连接
在一起并一个共同的电源接地层。

2、直接在输入引脚（VIN）和地之间放输入电容
3、用粗的PCB走线连接SUP和输出VS
4、在SUP引脚和地之间放置一个小的旁路电容
5、VGH和VGL的电荷泵驱动器引脚（DRVN，DRVP）使用短的走线，因为这些走线携带开
关电流
6、飞跨电容尽量靠近DRVN和DRVP引脚，避免高压击穿这些引脚。

7、肖特基二极管尽量靠近IC放置，分别连接到DRVN和DRVP飞跨电容
8、仔细布局辅助泵的走线，以避免与其他电路的干扰，因为他们携带的高压开关电流
9、输出电容尽量靠近输出引脚（VCOM）放置
10、TSSOP封装的电源焊盘需要是印刷电路板，以提高散热性能
11、QFN封装的热焊盘要焊接到PCB保证可靠性和热性能。