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1 特性
? 1.8V 至 6V 輸入電壓范圍
? 可調(diào)節(jié)輸出電壓范圍高達 28V
? 400mA (TPS61040) 和 250mA (TPS61041) 內(nèi)部開關電流
? 高達 1MHz 的開關頻率
? 28μA 典型空載靜態(tài)電流
? 1μA 典型關斷電流
? 內(nèi)部軟啟動
? 采用 SOT23-5、TSOT23-5以及 2mm × 2mm × 0.8mm WSON 封裝
2 應用
? LCD 偏置電源
? 白光 LED 電源可用于 LCD 背光
? 數(shù)碼相機
? PDA、整理器和手持設備 PC
? 手機
? 互聯(lián)網(wǎng)音頻播放器
? 標準 3.3V 或 5V 至 12V 的轉(zhuǎn)換
3 說明
TPS6104x 是高頻率升壓轉(zhuǎn)換器，專用于中小型 LCD偏置電源和白光 LED 背光電源。該器件非常適合使用兩節(jié)鎳氫電池/鎳鎘電池或單節(jié)鋰離子電池生成高達28V 的輸出電壓。該器件也可用于實現(xiàn)從標準 3.3V 或5V 到 12V 的功率轉(zhuǎn)換。
TPS6104x 的工作開關頻率高達 1MHz。該頻率支持使用外部小型元件，這些元件使用陶瓷和鉭輸出電容器。
TPS6104x 采用薄型 WSON 封裝，因此整體解決方案尺寸很小。TPS61040 器件具有內(nèi)部 400mA 開關電流限制，而 TPS61041 器件具有 250mA 開關電流限制，可提供更低的輸出電壓波紋，并支持對低功耗應用使用外形 尺 寸 更 小 的 電 感 器 。 低靜 態(tài) 電 流 （ 典型值為28μA）加上優(yōu)化型控制方案，可讓器件在整個負載電流范圍內(nèi)保持非常高的工作效率。
器件信息
| 器件型號 | 封裝(1) | 封裝尺寸（標稱值） |
|---|---|---|
| TPS61040 | SOT-23 (5) | 2.90mm × 1.60mm |
| SOT (5) | 2.90mm × 1.60mm | |
| WSON (6) | 2.00mm × 2.00mm | |
| TPS61041 | SOT-23 (5) | 2.90mm × 1.60mm |
| WSON (6) | 2.00mm × 2.00mm |
5 引腳配置和功能
表 5-1. 引腳功能
| 引腳名稱 | DDC、DBV 編號 | DRV 編號 | I/O | 說明 |
|---|---|---|---|---|
| EN | 4 | 3 | I | 這是器件的使能引腳。將引腳拉至接地可使器件進入關斷模式，使電源電流降至 1μA 以下。此引腳不得懸空，需要進行端接。 |
| FB | 3 | 4 | I | 這是器件的反饋引腳。將此引腳連接至外部分壓器可對所需輸出電壓進行編程。 |
| GND | 2 | 1 | – | 接地 |
| NC | – | 5 | – | 無連接 |
| SW | 1 | 6 | I | 將電感器和肖特基二極管連接至此引腳。此為開關引腳，并連接至內(nèi)部功率 MOSFET 的漏極。 |
| VIN | 5 | 2 | I | 電源電壓引腳 |
| -散熱焊盤 | - | 焊接到接地平面以進行散熱 |
6 規(guī)格
6.1 絕對最大額定值
在自然通風條件下的工作溫度范圍內(nèi)測得（除非另有說明）(1)
| 最小值 | 最大值 | 單位 | |
|---|---|---|---|
| 引腳 VIN 上的電源電壓(2) | -0.3 | 7 | V |
7 詳細說明
7.1 概述
TPS6104x 是高頻率升壓轉(zhuǎn)換器，專用于中小型 LCD 偏置電源和白光 LED 背光電源。該器件非常適合使用兩節(jié)鎳氫電池/鎳鎘電池或單節(jié)鋰離子電池生成高達 28V 的輸出電壓。
7.2 功能方框圖
7.3 特性說明
7.3.1 峰值電流控制
內(nèi)部 開 關 將 一 直 導 通 ， 直至 電 感 器 電 流 達 到 典 型 直 流 電 流 限 值 (ILIM) 400mA (TPS61040) 或 250mA(TPS61041)。由于內(nèi)部傳播延遲的典型值為 100ns ，實際電流將少量超出直流電流限制閾值。可以計算典型峰值電流限值：
(1)
輸入電壓越高且電感器值越低，峰值就越大。
選擇 TPS6104x 后，可以根據(jù)特定應用電流限制要求來定制設計。較低的電流限值支持需要較低輸出功率的應用，并允許使用具有較低電流額定值、外形尺寸較小的電感器。電流限值較低通常也意味著具有較低的輸出電壓紋波。
7.3.2 軟啟動
如果未采取特別的預防措施，所有電感升壓轉(zhuǎn)換器將在啟動期間出現(xiàn)大浪涌電流。這會導致啟動期間在輸入軌處產(chǎn)生壓降，并可能導致系統(tǒng)意外或提前關斷。
TPS6104x 通過增加電流限制來限制此浪涌電流，這分兩步執(zhí)行，從 256 個周期的到下一 256 個周期的， 然后到全電流限制（請參閱圖 8-4）。
7.3.3 使能
將使能端 (EN) 拉至接地可關閉器件，這可將關斷電流降至 1μA（典型值）。因為在輸入與輸出之間有一條穿過電感器和肖特基二極管的導電路徑，所以在關閉期間，輸出電壓等于輸入電壓。使能引腳必須端接，并且不得懸空。使用小型外部晶體管在關閉期間斷開輸入與輸出之間的連接，如圖 8-6 所示。
7.3.4 欠壓鎖定
欠壓鎖定可防止器件在低于典型 1.5V 的輸入電壓下誤操作。當輸入電壓低于欠壓閾值時，主開關將關斷。
7.3.5 熱關斷
如果超出 168°C 的典型結溫，將實現(xiàn)內(nèi)部熱關斷并關閉內(nèi)部 MOSFET。熱關斷遲滯通常為 25°C。此數(shù)據(jù)基于統(tǒng)計方法，未在 IC 的常規(guī)大規(guī)模生產(chǎn)期間進行測試。
7.4 器件功能模式
7.4.1 操作
TPS6104x 在 1.8V 至 6V 的輸入電壓范圍下運行，并可生成最高 28V 的輸出電壓。該器件采用脈沖頻率調(diào)制(PFM) 方案運行，并具有恒定峰值電流控制功能。該控制方案在整個負載電流范圍內(nèi)保持高效率，并且開關頻率高達 1MHz，因此該器件允許使用非常小巧的外部元件。
轉(zhuǎn)換器監(jiān)控輸出電壓，當反饋電壓低于通常為 1.233V 的基準電壓時，內(nèi)部開關將開啟，電流將逐漸增大。當電感器電流達到內(nèi)部設置的峰值電流，通常為 400mA (TPS61040) 或 250mA (TPS61041) 時，開關將關斷。請參閱峰值電流控制以了解詳細信息。關斷開關的第二個條件是最大導通時間為 6μs（典型值）。這是為了限制轉(zhuǎn)換器的最大導通時間以涵蓋極端條件。開關關斷時，外部肖特基二極管將正向偏置，為輸出提供電流。開關在最低400ns（典型值）下保持關斷，或直至反饋電壓再次降至基準電壓之下。使用此 PFM 峰值電流控制方案，轉(zhuǎn)換器將在不連續(xù)導通模式 (DCM) 下運行，其中開關頻率取決于輸出電流，這可在整個負載電流范圍內(nèi)實現(xiàn)極高效率。
此調(diào)節(jié)方案具有固有穩(wěn)定性，因此電感器和輸出電容器的選擇范圍更廣。
8 應用和實現(xiàn)
8.1 應用信息
TPS6104x 設計為具有最高達 28V 的輸出電壓，其輸入電壓范圍為 1.8V 至 6V，開關峰值電流限制在 400mA（TPS61041 為 250mA）。該器件采用脈沖頻率調(diào)制 (PFM) 方案運行，并具有恒定峰值電流控制功能。該控制方案在整個負載電流范圍內(nèi)保持高效率，并且開關頻率高達 1MHz，因此該器件能夠使用非常小巧的外部元件。以下部分提供了將 TPS61040 配置為采用 LCD 偏置電源的電壓調(diào)節(jié)升壓轉(zhuǎn)換器的分步設計方法，如圖 8-1 所示。
8.2 典型應用
以下部分提供了將 TPS611040 配置為采用 LCD 偏置電源的電壓調(diào)節(jié)升壓轉(zhuǎn)換器的分步設計方法，如圖 8-1 所示。
8.2.1 設計要求
表 8-1. 設計參數(shù)
| 設計參數(shù) | 示例值 |
|---|---|
| 輸入電壓 | 1.8 V 至 6 V |
| 輸出電壓 | 18V |
| 輸出電流 | 10mA |
8.2.2 詳細設計過程
8.2.2.1 電感器選擇，最大負載電流
PFM 峰值電流控制方案具有固有穩(wěn)定性，因此電感值不會影響穩(wěn)壓器的穩(wěn)定性。電感器以及對應用的標稱負載電流、輸入和輸出電壓的選擇將決定轉(zhuǎn)換器的開關頻率。根據(jù)應用，建議使用 2.2μH 到 47μH 之間的電感值。最大電感值由開關的最大導通時間決定，通常為 6μs。為確保正常運行，應在此 6μs 期間達到 400mA/250mA（典型值）的峰值電流限值。
轉(zhuǎn)換器的最大開關頻率由電感值決定。因此，所選電感值應確保不會超出轉(zhuǎn)換器最大負載電流下的最大開關頻率。最大開關頻率通過以下公式計算：
其中
? IP = 峰值電流，如峰值電流控制中所述
? L = 所選的電感值
? VIN(min) = 在最小輸入電壓下產(chǎn)生的最高開關頻率
如果所選的電感值未超過轉(zhuǎn)換器的最大開關頻率，則下一步是使用以下公式計算標稱負載電流下的開關頻率：
(3)
其中
? IP = 峰值電流，如峰值電流控制中所述
? L = 所選的電感值
? Iload = 標稱負載電流
? Vd = 整流器二極管正向電壓（通常為 0.3V）
更小的電感值會產(chǎn)生更高的轉(zhuǎn)換器開關頻率，但會降低效率。
電感值對最大可用負載電流的影響較小，僅是次要因素。計算特定運行條件下最大可用負載電流的理想方式是估算最大負載電流下的預期轉(zhuǎn)換器效率。可以在圖 6-1 到圖 6-4 中所示的效率圖中獲得此數(shù)字。隨后可以按如下所示估算最大負載電流：
(4)
其中
? IP = 峰值電流，如峰值電流控制中所述
? L = 所選的電感值
? fSmax = 先前計算出的最大開關頻率
? η = 預計轉(zhuǎn)換器效率。通常為 70% 到 85%
轉(zhuǎn)換器的最大負載電流是處于工作點（轉(zhuǎn)換器開始進入連續(xù)導通模式）時的電流。通常，轉(zhuǎn)換器應始終在不連續(xù)導通模式下運行。
最后，所選電感器應具有符合轉(zhuǎn)換器最大峰值電流（在峰值電流控制中計算得出）的飽和電流。在此運算中對 ILIM使用最大值。
另一個重要的電感器參數(shù)是直流電阻。直流電阻越低，轉(zhuǎn)換器效率越高。請參閱表 8-2 和典型應用以選擇電感器。
表 8-2. 建議用于典型 LCD 偏置電源的電感器（請參閱圖 10-1）
| 器件 | 電感值 | 元件供應商(1) | 備注 |
|---|---|---|---|
| TPS61040 | 10μH | Sumida CR32-100 | 高效率 |
| 10μH | Sumida CDRH3D16-100 | 高效率 | |
| 10μH | Murata LQH4C100K04 | 高效率 | |
| 4.7μH | Sumida CDRH3D16-4R7 | 小尺寸解決方案 | |
| 4.7μH | Murata LQH3C4R7M24 | 小尺寸解決方案 | |
| TPS61041 | 10μH | Murata LQH3C100K24 | 高效率,小尺寸解決方案 |
8.2.2.2 設置輸出電壓
輸出電壓計算如下：
(5)
對于電池供電應用，應使用高阻抗分壓器，R2 典型值應 ≤200k?，R1 最大值應為 2.2 M?。可使用較小值來降低反饋引腳的噪聲靈敏度。
需要在上部反饋電阻 R1 中使用前饋電容器來為誤差比較器提供足夠的過驅(qū)。如果沒有前饋電容器或前饋電容器的值過小，則 TPS6104x 將在開關節(jié)點 (SW) 處展現(xiàn)雙脈沖或脈沖突發(fā)，而非單脈沖，這會增加輸出電壓紋波。如果可接受此較高的輸出電壓紋波，則可以不使用前饋電容器。
轉(zhuǎn)換器的開關頻率越低，需要的前饋電容器的容值就越大?？梢韵仁褂?10pF 前饋電容器。第一次估算時，也可使用以下公式來計算處于工作點時的前饋電容器的所需值：
(6)
其中
? R1 = 分壓器的上電阻
? fS = 標稱負載電流下轉(zhuǎn)換器的開關頻率（請參閱電感器選擇，最大負載電流以計算開關頻率）
? CFF = 選擇最接近于計算結果的值
前饋電容器的容值越大，器件的線路調(diào)節(jié)就越差。因此，當線路調(diào)節(jié)至關重要時，所選前饋電容器的容值應盡可能小。有關線路和負載調(diào)節(jié)的詳細信息，請參閱以下部分。
8.2.2.3 線路和負載調(diào)節(jié)
TPS6104x 的線路調(diào)節(jié)取決于反饋引腳上的電壓紋波。通常，反饋引腳 FB 上的 50mV 峰-峰值電壓紋波可提供很好的結果。
某些應用要求非常小的線路調(diào)節(jié)率，僅允許特定輸入電壓范圍內(nèi)較小的輸出電壓變化。如果沒有在電壓反饋分壓器的上電阻中使用前饋電容器 CFF，器件將具有良好的線路調(diào)節(jié)率。如果沒有前饋電容器，輸出電壓紋波會較高，因為 TPS6104x 在開關引腳 (SW) 上展現(xiàn)輸出電壓突發(fā)而非單脈沖，這將增加輸出電壓紋波。增加輸出電容值可降低輸出電壓紋波。
如果無法增加輸出電容值，可如上一部分所示使用前饋電容器 CFF。使用前饋電容器將增加反饋引腳 (FB) 上存在的電壓紋波量。反饋引腳上的電壓紋波越大 (≥50mV)，線路調(diào)節(jié)就越差?？赏ㄟ^兩種方式進一步改進線路調(diào)節(jié)：
- 使用較小的電感值來增加開關頻率，這將降低輸出電壓紋波以及反饋引腳上的電壓紋波。
- 在反饋引腳 (FB) 與接地之間添加一個較小的電容器可將反饋引腳上的電壓紋波再次降至 50mV?？梢韵仁褂脼榍梆侂娙萜?CFF 選擇的相同電容值。
8.2.2.4 輸出電容器選擇
為了實現(xiàn)出色的輸出電壓濾波，建議使用低 ESR 輸出電容器。陶瓷電容器具有低 ESR 值，但也可以使用鉭電容器，具體取決于應用。
假設轉(zhuǎn)換器沒有在開關節(jié)點 (SW) 處展現(xiàn)雙脈沖或脈沖突發(fā)，輸出電壓紋波計算如下：
其中
? IP = 峰值電流，如峰值電流控制中所述
? L = 所選的電感值
? Iout = 標稱負載電流
? fS(out) = 先前計算的標稱負載電流下的開關頻率
? Vd = 整流器二極管正向電壓（通常為 0.3V）
? Cout = 所選輸出電容器
? ESR = 輸出電容器 ESR 值
請參閱表 8-3 和典型應用以選擇輸出電容器。
表 8-3. 推薦使用的輸入和輸出電容器
| 器件 | 電容器 | 電壓額定值 | 元件供應商(1) | 備注 |
|---|---|---|---|---|
| TPS6104x | 4.7μF/X5R/0805 | 6.3V | Tayo Yuden JMK212BY475MG | CIN/COUT |
| 10μF/X5R/0805 | 6.3V | Tayo Yuden JMK212BJ106MG | CIN/COUT | |
| 1μF/X7R/1206 | 25V | Tayo Yuden TMK316BJ105KL | COUT | |
| 1μF/X5R/1206 | 35V | Tayo Yuden GMK316BJ105KL | COUT | |
| 4.7μF/X5R/1210 | 25V | Tayo Yuden TMK325BJ475MG | COUT |
(1) 請參閱第三方產(chǎn)品免責聲明。
8.2.2.5 輸入電容器選擇
為了實現(xiàn)出色的輸入電壓濾波，建議使用低 ESR 陶瓷電容器。4.7μF 陶瓷輸入電容器足以滿足大部分應用的需求。若要改進輸入電壓濾波，可增加此值。請參閱表 8-3 和典型應用以了解輸入電容器建議。
8.2.2.6 二極管選擇
若要實現(xiàn)高效率，應使用肖特基二極管。此二極管的電流額定值應符合峰值電流控制中計算出的轉(zhuǎn)換器峰值電流額定值。在此計算中對 ILIM 使用最大值。請參閱表 8-4 和典型應用以選擇肖特基二極管。
表 8-4. 建議用于典型 LCD 偏置電源的肖特基二極管（請參閱圖 10-1）
| 器件 | 反向電壓 | 元件供應商(1) | 備注 |
|---|---|---|---|
| TPS6104x | 30V | ON Semiconductor MBR0530 | |
| 20V | ON Semiconductor MBR0520 | ||
| 20V | ON Semiconductor MBRM120L | 高效率 | |
| 30V | Toshiba CRS02 |
8.3 系統(tǒng)示例
A. C2 的較小輸出電容值會導致 LED 紋波增加。
9 電源相關建議
此器件設計為在 1.8V 至 6V 的輸入電源電壓范圍內(nèi)運行。輸入電源的輸出電流必須根據(jù) TPS6104x 的電源電壓、輸出電壓和輸出電流確定額定值。
10 布局
10.1 布局指南
通常對于所有開關電源，布局都是設計中的重要一步；尤其是在具有高峰值電流和高開關頻率的情況下。如果設計布局時不夠仔細，穩(wěn)壓器可能會出現(xiàn)噪聲問題和占空比抖動。
輸入電容器應放置在盡可能靠近輸入引腳的位置，以實現(xiàn)良好的輸入電壓濾波。電感器和二極管應放置在盡可能靠近開關引腳的位置，以最大限度地減少耦合到其他電路中的噪聲。反饋引腳和網(wǎng)絡是高阻抗電路，因此反饋網(wǎng)絡應遠離電感器進行布線。反饋引腳和反饋網(wǎng)絡應通過接地平面或跡線進行屏蔽，以最大限度地減少耦合到此電路中的噪聲。
對于圖 10-1 所示的粗體連接，應使用寬跡線。星型接地連接或接地平面可最大限度減少接地漂移和噪聲。
10.2 布局示例
包裝信息
| 器件編號 | 狀態(tài) | 封裝類型 | 封裝編號 | 引腳數(shù)量 | 包裝數(shù)量 | 生態(tài)計劃 | 引線表面處理/球體材質(zhì) | MSL 峰值溫度 | 工作溫度 | 器件絲印 |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| TPS61040DBVR | 正常 | SOT-23 | DBV | 5 | 3000 | RoHS和綠色 | NIPDAU 、錫 | 1-260C級-UNLIM | -40 至 125 | PHOI |
| TPS61040DBVRG4 | 生活購買 | SOT-23 | DBV | 5 | 3000 | RoHS和綠色 | NIPDAU | 1-260C級-UNLIM | -40 至 125 | PHOI |
| TPS61040DDCR | 正常 | SOT-23-THIN | DDC | 5 | 3000 | RoHS和綠色 | NIPDAU | Level-2-260C-1 年 | -40 至 125 | QXK |
| TPS61040DDCT | 正常 | SOT-23-THIN | DDC | 5 | 250 | RoHS和綠色 | NIPDAU | Level-2-260C-1 年 | -40 至 125 | QXK |
| TPS61040DRVR | 正常 | WSON | DRV | 6 | 3000 | RoHS和綠色 | NIPDAU | 1-260C級-UNLIM | -40 至 125 | CCL |
| TPS61040DRVT | 正常 | WSON | DRV | 6 | 250 | RoHS和綠色 | NIPDAU | 1-260C級-UNLIM | -40 至 125 | CCL |
| TPS61040DRVTG4 | 正常 | WSON | DRV | 6 | 250 | RoHS和綠色 | NIPDAU | 1-260C級-UNLIM | -40 至 125 | CCL |
| TPS61041DBVR | 正常 | SOT-23 | DBV | 5 | 3000 | RoHS和綠色 | NIPDAU，錫 | 1-260C級-UNLIM | -40 至 85 | PHPI |
| TPS61041DRVR | 正常 | WSON | DRV | 6 | 3000 | RoHS和綠色 | NIPDAU | 1-260C級-UNLIM | -40 至 85 | CAW |
| TPS61041DRVT | 正常 | WSON | DRV | 6 | 250 | RoHS和綠色 | NIPDAU | 1-260C級-UNLIM | -40 至 85 | CAW |
| TPS61041DRVTG4 | 正常 | WSON | DRV | 6 | 250 | RoHS和綠色 | NIPDAU | 1-260C級-UNLIM | -40 至 85 | CAW |