深度解析 TPS65631：AMOLED 顯示電源的理想之選

在電子設備的電源管理領域，為 AMOLED 顯示屏提供穩(wěn)定且高效的電源解決方案至關重要。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，下面我們就來詳細了解一下。

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一、TPS65631 產(chǎn)品概述

TPS65631 專為驅動需要正負電源軌的 AMOLED（有源矩陣有機發(fā)光二極管）顯示屏而設計。它集成了一個用于 (V{POS}) 的升壓轉換器和一個用于 (V{NEG}) 的反相降壓 - 升壓轉換器，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)字步長對負輸出電壓進行編程，并且采用了一種新穎的技術，可實現(xiàn)出色的線路瞬態(tài)性能。

二、產(chǎn)品特性亮點

（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 0.5%，確保了輸出的穩(wěn)定性。
3. 負輸出電壓：可通過數(shù)字方式在 -1.4V 至 -4.4V 之間進行編程，默認值為 -4V，滿足不同 AMOLED 顯示屏的需求。
4. 輸出電流：能夠支持高達 250mA 的輸出電流，為顯示屏提供充足的電力。

（二）性能與保護特性

1. 線路瞬態(tài)調節(jié)：具備出色的線路瞬態(tài)調節(jié)能力，可有效應對電源波動，保證輸出電壓的穩(wěn)定。
2. 保護功能：擁有短路保護和熱關斷功能，當出現(xiàn)短路或溫度過高的情況時，能及時保護設備，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用場景。

三、引腳配置與功能

TPS65631 共有 12 個引腳，每個引腳都有其特定的功能，以下是一些關鍵引腳的介紹：

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

四、技術規(guī)格詳解

（一）絕對最大額定值

在正常工作時，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，器件的工作結溫范圍為 -40°C 至 150°C。超出這些絕對最大額定值可能會對器件造成永久性損壞。

（二）處理額定值

包括存儲溫度范圍（-65°C 至 150°C）、靜電放電（ESD）相關的人體模型（HBM）、充電設備模型（CDM）和機器模型（MM）的額定值等。在存儲和處理過程中，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，如結到環(huán)境的熱阻 (R_{θJA}) 為 51.5°C/W 等。這些熱指標對于散熱設計非常重要，有助于工程師合理設計散熱方案，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)，如關機電流、欠壓鎖定閾值、輸出電壓、開關導通電阻、開關頻率、短路閾值電壓等。這些參數(shù)反映了器件的電氣性能，在設計電路時需要根據(jù)實際需求進行合理選擇和優(yōu)化。

（六）時序要求

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

五、功能模塊分析

（一）升壓轉換器

采用固定頻率電流模式拓撲，輸出電壓 (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，此時升壓轉換器將使用 OUTP 引腳感測輸出電壓。

（二）反相降壓 - 升壓轉換器

采用恒定關斷時間峰值電流模式拓撲，默認輸出電壓 (V_{NEG}) 為 -4V，可通過 CTRL 引腳編程在 -1.4V 至 -4.4V 范圍內(nèi)調節(jié)。通過檢測 CTRL 引腳的上升沿數(shù)量來設置輸出電壓，同時 CTRL 引腳的脈沖持續(xù)時間需在 2 - 25μs 之間，否則可能無法被正確識別。

（三）軟啟動和啟動序列

具備軟啟動功能，可限制浪涌電流。當 CTRL 引腳接收到高電平信號使能器件時，升壓轉換器以降低的開關電流限制開始切換，10ms 后反相降壓 - 升壓轉換器以默認值 -4V 啟動。

（四）使能（CTRL）

CTRL 引腳有兩個功能，一是使能和禁用器件，二是對反相降壓 - 升壓轉換器的輸出電壓 (V{NEG}) 進行編程。若不需要數(shù)字接口，可將其作為標準使能引腳使用，此時 (V{NEG}) 為默認值 -4V。

（五）欠壓鎖定

當輸入電源電壓過低，無法正常工作時，欠壓鎖定功能會禁用器件，保護器件免受低電壓的影響。

（六）短路保護

對 (V{POS}) 和 (V{NEG}) 到地以及相互之間的短路情況進行保護。在正常運行和啟動過程中，若檢測到短路情況，器件將進入關機模式，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正常運行。

（七）關機時輸出放電

在關機時，TPS65631 會主動對其輸出進行放電，確保系統(tǒng)的安全性。

（八）熱關斷

當器件的結溫超過 145°C（典型值）時，將進入熱關斷模式，此時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正常運行。

六、應用與實現(xiàn)

（一）典型應用電路

適用于智能手機應用中的 AMOLED 顯示屏供電，電路設計為從單節(jié)鋰離子電池供電，產(chǎn)生 4.6V 的正輸出電壓 (V_{POS}) 和 -4V 的負輸出電壓，兩個輸出都能夠提供高達 300mA 的輸出電流。

（二）設計要求與詳細設計步驟

1. 設計參數(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，開關頻率為 1.7MHz。
2. 電感選擇：升壓轉換器和反相降壓 - 升壓轉換器推薦使用 4.7μH 的電感，其他電感值可能需要根據(jù)具體情況進行性能評估。
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導致電壓紋波增加，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，需要在整個工作條件范圍內(nèi)檢查電路的穩(wěn)定性。

（三）應用曲線

通過實際測試得到了效率與輸出電流、啟動波形、開關電壓、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)，為工程師的設計提供了重要參考。

七、電源供應與布局建議

（一）電源供應

TPS65631 設計的輸入電壓范圍為 2.9 - 4.5V，若輸入電源與器件距離較遠，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電流，避免通過過孔，因為過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，并通過多個熱過孔將散熱焊盤與之連接。

八、總結

TPS65631 以其豐富的功能、出色的性能和良好的保護特性，成為 AMOLED 顯示電源的理想選擇。在設計過程中，工程師需要根據(jù)具體的應用需求，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 進行設計時，是否也遇到過一些挑戰(zhàn)呢？歡迎在評論區(qū)分享你的經(jīng)驗和想法。