深入解析 TPS65133：±5-V、250-mA 雙輸出電源芯片

在電子設(shè)計領(lǐng)域，電源管理芯片的性能直接影響著整個系統(tǒng)的穩(wěn)定性和效率。今天我們要深入探討的就是德州儀器（TI）推出的 TPS65133，一款專為需要 ±5.0-V 電源軌的系統(tǒng)而設(shè)計的雙輸出電源芯片。

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一、芯片概述

TPS65133 集成了一個升壓轉(zhuǎn)換器和一個反相降壓 - 升壓轉(zhuǎn)換器，能夠分別提供固定的 +5.0 V 和 -5.0 V 輸出電壓，每個輸出的電流能力最高可達(dá) 250 mA。其輸入電壓范圍為 2.9 V 至 5.0 V，適用于鋰離子電池供電或 3.3-V 固定電源供電的應(yīng)用場景。在大多數(shù)應(yīng)用中，該芯片的效率通常超過 90%，并且兩個轉(zhuǎn)換器獨立工作，允許正、負(fù)輸出電流之間存在 100% 的不匹配。

二、主要特性

（一）輸入輸出特性

• 輸入電壓范圍：2.9-V 至 5.0-V 的輸入電壓范圍，使其能夠靈活適應(yīng)不同的電源供電，如鋰離子電池或 3.3-V 固定電源。
• 輸出電壓精度：固定的 +5.0 V 和 -5.0 V 輸出電壓，且輸出電壓精度為 ±1%，為系統(tǒng)提供了穩(wěn)定的電源。

（二）性能特性

• 高效率：在大多數(shù)應(yīng)用中效率通常超過 90%，能夠有效降低功耗，延長電池續(xù)航時間。
• 高輸出電流能力：每個輸出可提供高達(dá) 250 mA 的輸出電流，滿足大多數(shù)負(fù)載的需求。
• 獨立轉(zhuǎn)換器操作：兩個轉(zhuǎn)換器獨立工作，允許正、負(fù)輸出電流之間存在 100% 的不匹配，增加了設(shè)計的靈活性。
• 出色的瞬態(tài)響應(yīng)：具有良好的線路和負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)，能夠快速響應(yīng)負(fù)載變化，保證輸出電壓的穩(wěn)定性。
• 低輸出噪聲：工作在連續(xù)導(dǎo)通模式（CCM）下，可將輸出噪聲降至最低。
• 寬輸入電壓適應(yīng)性：升壓轉(zhuǎn)換器能夠在接近 5.0 V 的輸入電源電壓下工作。

（三）保護(hù)特性

• 短路保護(hù)：當(dāng)檢測到輸出短路時，芯片會限制輸出電流，保護(hù)芯片和負(fù)載免受損壞。
• 熱關(guān)斷：當(dāng)芯片的結(jié)溫超過 135°C（典型值）時，會自動進(jìn)入熱關(guān)斷狀態(tài)，防止芯片因過熱而損壞。

三、應(yīng)用領(lǐng)域

TPS65133 的應(yīng)用非常廣泛，常見的應(yīng)用場景包括：

• LCD 偏置：為 LCD 顯示屏提供穩(wěn)定的偏置電壓，確保顯示屏的正常顯示。
• AMOLED 電源：滿足 AMOLED 顯示屏對電源的要求，提供穩(wěn)定的正、負(fù)電源。
• 運算放大器電源：為運算放大器提供穩(wěn)定的電源，保證其性能的穩(wěn)定。
• 耳機(jī)放大器電源：為耳機(jī)放大器提供合適的電源，提升音頻質(zhì)量。
• 傳感器前端電源：為傳感器前端電路提供穩(wěn)定的電源，確保傳感器的準(zhǔn)確測量。
• 數(shù)據(jù)采集電源：為數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)提供穩(wěn)定的電源，保證數(shù)據(jù)采集的準(zhǔn)確性。
• 通用 ±5-V 電源：可作為通用的 ±5-V 電源，為各種需要該電壓的電路供電。

四、典型應(yīng)用電路

TPS65133 的典型應(yīng)用電路如圖所示，通過合理選擇外部元件，可以實現(xiàn)從 2.9 V 至 5.0 V 的輸入電壓轉(zhuǎn)換為 ±5 V、250 mA 的輸出。

（一）設(shè)計要求

• 輸入電壓范圍：2.9 V 至 5.0 V
• 輸出電壓：±5.0 V
• 開關(guān)頻率：1.7 MHz

（二）元件選擇

• 電感：推薦使用 4.7 μH 的電感，如 Coilmaster 的 MMPP252012 - 4R7N、Toko 的 1239AS - H - 4R7M 等。不同的電感值可能會影響芯片的性能，因此在使用不同電感值時，需要進(jìn)行充分的性能測試。
• 電容：C1、C2、C3 推薦使用 10 μF 的電容，C4 推薦使用 100 nF 的電容。減少電容值可能會導(dǎo)致輸出電壓紋波增加，因此在設(shè)計時需要根據(jù)實際需求進(jìn)行選擇。

五、詳細(xì)功能解析

（一）升壓轉(zhuǎn)換器（VPOS）

• 開關(guān)頻率：開關(guān)頻率通常約為 1.7 MHz，會隨著工作條件的變化而略有波動。
• 輸出電壓：輸出電壓工廠編程為 5.0 V ±1.0%，用戶無法更改。
• 啟動：當(dāng) EN 引腳為高電平且輸入電源電壓高于欠壓鎖定（UVLO）閾值時，升壓轉(zhuǎn)換器啟動，并具有集成的軟啟動功能，以控制輸出電壓的上升。
• 關(guān)斷：當(dāng) EN 引腳為低電平或輸入電源電壓低于 UVLO 閾值時，升壓轉(zhuǎn)換器關(guān)斷。
• 主動放電：當(dāng)轉(zhuǎn)換器禁用時，輸出會主動放電到地。在啟動時，當(dāng)輸入電源電壓高于 UVLO 閾值時，主動放電開始；在關(guān)斷時，主動放電持續(xù)到輸入電源電壓過低無法支持其工作（約 1.5 V）。
• 短路保護(hù)：在啟動過程中檢測到短路時，轉(zhuǎn)換器會限制輸出電流，直到短路條件消除。在正常工作時，如果 VPOS < 4.1 V 持續(xù)超過 3 ms，則檢測到短路，此時 VPOS 和 VNEG 都會被禁用，芯片進(jìn)入關(guān)斷狀態(tài)?；謴?fù)正常工作需要將 EN 引腳拉低再拉高，或循環(huán)輸入電源電壓。

（二）反相降壓 - 升壓轉(zhuǎn)換器（VNEG）

• 開關(guān)頻率：開關(guān)頻率約為 1.7 MHz，會隨工作條件變化而略有波動。
• 輸出電壓：輸出電壓工廠編程為 -5.0 V ±1.0%，用戶無法更改。
• 啟動：在升壓轉(zhuǎn)換器輸出達(dá)到 5.0 V 后約 2 ms 啟動，啟動時開關(guān)電流受限，輸出電壓以受控方式上升。
• 關(guān)斷：當(dāng) EN 引腳為低電平或輸入電源電壓低于 UVLO 閾值時，反相降壓 - 升壓轉(zhuǎn)換器關(guān)斷。
• 主動放電：與升壓轉(zhuǎn)換器類似，當(dāng)轉(zhuǎn)換器禁用時，輸出會主動放電到地。
• 短路保護(hù)：在啟動過程中檢測到短路時，轉(zhuǎn)換器會限制輸出電流，直到短路條件消除。在正常工作時，如果 VNEG > -4.5 V 持續(xù)超過 3 ms，則檢測到短路，此時 VPOS 和 VNEG 都會被禁用，芯片進(jìn)入關(guān)斷狀態(tài)?；謴?fù)正常工作需要將 EN 引腳拉低再拉高，或循環(huán)輸入電源電壓。

（三）啟動和關(guān)斷時序

TPS65133 的啟動和關(guān)斷時序如圖所示，通過合理的時序控制，確保芯片的穩(wěn)定工作。

（四）熱關(guān)斷功能

芯片具有熱關(guān)斷功能，當(dāng)結(jié)溫超過 135°C（典型值）時，芯片會進(jìn)入關(guān)斷狀態(tài)，以防止過熱損壞?；謴?fù)正常工作需要將 EN 引腳拉低再拉高，或循環(huán)輸入電源電壓。

六、設(shè)計建議

（一）電源供應(yīng)

TPS65133 設(shè)計用于 2.9 V 至 5.0 V 的輸入電源電壓。如果輸入電源與芯片之間的距離超過幾厘米，可能需要額外的大容量電容來穩(wěn)定電源。

（二）布局設(shè)計

• 布線：盡量使用短而寬的走線在頂層路由不連續(xù)的開關(guān)電流，避免通過過孔布線，因為過孔具有較高的寄生電感和電阻。
• 電容放置：將 C1 盡可能靠近引腳 12，C2 盡可能靠近引腳 3，C3 盡可能靠近引腳 9。
• 接地：使用外露的散熱焊盤連接 GND、AGND 和 PGND，并使用銅箔（最好在第二層）作為散熱片，通過多個散熱過孔將其連接到外露的散熱焊盤。

七、總結(jié)

TPS65133 是一款性能出色的雙輸出電源芯片，具有高效率、高輸出電流能力、獨立轉(zhuǎn)換器操作、出色的瞬態(tài)響應(yīng)和多種保護(hù)功能等優(yōu)點。在實際應(yīng)用中，通過合理選擇外部元件和優(yōu)化布局設(shè)計，可以充分發(fā)揮其性能，為各種需要 ±5-V 電源軌的系統(tǒng)提供穩(wěn)定可靠的電源解決方案。你在使用 TPS65133 過程中遇到過哪些問題呢？歡迎在評論區(qū)分享交流。