可調(diào)LED亮度的DC-DC轉(zhuǎn)換器TPS61042

    摘要：TPS61042是美國(guó)德州儀器公司生產(chǎn)的DC-DC轉(zhuǎn)換器。該器件同時(shí)可作為LED的驅(qū)動(dòng)器，且其驅(qū)動(dòng)輸出電壓可達(dá)27.5Ｖ。文中介紹了TPS61042的工作原理及典型應(yīng)用設(shè)計(jì)方法。

    關(guān)鍵詞：DC-DC轉(zhuǎn)換器；脈沖頻率調(diào)制PFM；脈沖寬度調(diào)制PWM；TPS61042

１　特點(diǎn)

ＴＰＳ６１０４２是一種高頻控制直流輸出的ＬＥＤ驅(qū)動(dòng)器。通過(guò)將其脈沖寬度調(diào)制（ＰＷＭ）信號(hào)加至控制端（ＣＴＲＬ）可以調(diào)節(jié)ＬＥＤ亮度。ＬＥＤ電流可以通過(guò)外部檢測(cè)電阻設(shè)置。由于ＴＰＳ６１０４２內(nèi)置Ｎ溝道 ５００ｍＡ ＭＯＳＦＥＴ，因而可有效地限制尖峰脈沖，其轉(zhuǎn)換頻率高達(dá)１ＭＨｚ。另外，芯片的ＣＴＲＬ腳控制信號(hào)還可以在停機(jī)狀態(tài)下使ＬＥＤ與地?cái)嚅_(kāi)，從而可有效避免漏電流損耗。

ＴＰＳ６１０４２可為ＬＥＤ背景燈提供驅(qū)動(dòng)以應(yīng)用于ＰＤＡ、掌上電腦、手持設(shè)備以及移動(dòng)電話等設(shè)備中。其主要特性如下：

●可通過(guò)ＰＷＭ信號(hào)進(jìn)行精確的亮度控制；

●內(nèi)置５００ｍＡ、Ｎ溝道開(kāi)關(guān)ＭＯＳＦＥＴ管；

●輸入電壓范圍為１．８Ｖ～６．０Ｖ；

●最大靜態(tài)電流為３８μＡ；

●轉(zhuǎn)換效率可達(dá)８５％；

●采用ＱＦＮ小型封裝。

２　ＴＰＳ６１０４２的極限值和管腳功能

ＴＰＳ６１０４２的極值電參數(shù)如下：

●電源電壓（Ｖｉｎ對(duì)ＧＮＤ）：－０．３Ｖ～７Ｖ；

●ＳＷ、ＬＥＤ、ＯＶＰ端對(duì)地電壓（ＶＳＷ、ＶＬＥＤ、ＶＯＶＰ）：小于３０Ｖ；

●ＶＲＳ、ＶＣＴＲＬ、ＶＦＢ：Ｖｉｎ±０．３Ｖ；

●ＴＡ小于２５℃時(shí)的持續(xù)耗散功率：３７０ｍＷ，而在ＴＡ大于２５℃時(shí)，下降速度為３．７ｍＷ／℃；

●工作溫度范圍：－４０～８５℃；

●結(jié)溫：１５８℃；

●存儲(chǔ)溫度：－６５℃～１５０℃；

●焊接溫度（１０秒）：２６０℃。

ＴＰＳ６１０４２的引腳排列如圖１所示，各引腳功能如表１所列。

表1 TPS61042管腳名稱及功能

３　ＴＰＳ６１０４２的工作原理

ＴＰＳ６１０４２的結(jié)構(gòu)框圖如圖２所示。該器件的主要功能有ＤＣ－ＤＣ轉(zhuǎn)換器、ＬＥＤ亮度控制以及過(guò)壓保護(hù)和欠壓鎖定等。

３．１ ＤＣ－ＤＣ轉(zhuǎn)換

ＴＰＳ６１０４２的電壓轉(zhuǎn)換采用脈沖頻率調(diào)制（ＰＦＭ）方式。轉(zhuǎn)換效率高達(dá)１ＭＨｚ。當(dāng)檢測(cè)電阻上的電壓低于２５２ｍＶ時(shí)，主開(kāi)關(guān)管Ｑ１接通，電流升高，當(dāng)電流達(dá)到５００ｍＡ或接通時(shí)間超過(guò)６μｓ后，主開(kāi)關(guān)管Ｑ１關(guān)斷。外部肖特基二極管將電感能量傳送到輸出端。此后在保持至少４００ｎｓ的關(guān)斷時(shí)間且反饋電壓降到參考電壓（２５２ｍＶ）以下時(shí)，主開(kāi)關(guān)管重新接通。該芯片的ＰＦＭ電流控制開(kāi)關(guān)頻率和電感值、輸入輸出電壓、ＬＥＤ電流等有關(guān)。

    ３．２ 亮度控制

應(yīng)用頻率范圍為１００Ｈｚ～５０ｋＨｚ的ＰＷＭ信號(hào)會(huì)使ＬＥＤ電流隨ＰＷＭ信號(hào)的有效周期產(chǎn)生脈動(dòng)。ＰＷＭ信號(hào)有效周期可以從１％到１００％，當(dāng)有效周期低于１％時(shí)，如果ＰＷＭ信號(hào)無(wú)效時(shí)間超過(guò)１０ｍｓ，轉(zhuǎn)換器就會(huì)停機(jī)。另外，ＴＰＳ６１０４２的控制端還有使能功能。當(dāng)ＣＴＲＬ置于高電平５００μｓ后，轉(zhuǎn)換使能有效，而當(dāng)ＣＴＲＬ置低３２ｍｓ后，轉(zhuǎn)換禁止。該ＰＷＭ信號(hào)的時(shí)序如圖３所示。

３．３ 過(guò)壓保護(hù)和欠壓鎖定

為防止輸出電壓高于Ｑ１的３０Ｖ極限電壓值，該芯片內(nèi)部設(shè)計(jì)了過(guò)壓保護(hù)電路。當(dāng)輸出電壓超過(guò)３０Ｖ時(shí)，Ｑ１關(guān)斷。而當(dāng)輸入電壓低于１．５Ｖ時(shí)，轉(zhuǎn)換器關(guān)閉，此時(shí)Ｑ１和ＬＥＤ開(kāi)關(guān)管Ｑ２呈高阻態(tài)。

４　應(yīng)用電路設(shè)計(jì)

４．１ 極限電流值設(shè)置

圖４所示是ＴＰＳ６１０４２的典型應(yīng)用電路，圖中，當(dāng)電感上的電流達(dá)到５００ｍＡ之前，內(nèi)部開(kāi)關(guān)管保持接通。實(shí)際上，在電流達(dá)到５００ｍＡ極限時(shí)，在持續(xù)的１００ｎｓ內(nèi)，電流可能會(huì)略微超過(guò)５００ｍＡ。具體極限電流如下：

ＩＰ＝Ｉ（ＬＩＭ）＋ＶＩ／Ｌ×１００ｎｓ

即ＩＰ＝５００ｍＡ＋ＶＩ ／Ｌ×１００ｎｓ

由此可見(jiàn)，輸入電壓越高，電感值越低，極限電流越大。

    ４．２ 電感的選取

在圖４電路中，Ｌ１的典型電感值為４．７μＨ。其電感值越小，轉(zhuǎn)換頻率也越高，但轉(zhuǎn)換效率較低，而且峰值電流較大。增大電感值可以限制輸出電流，但啟動(dòng)時(shí)間較長(zhǎng)。電感的直流電阻也可能影響轉(zhuǎn)換效率。直流電阻越低，轉(zhuǎn)換效率越高。因此，在選電感值時(shí)，要充分考慮實(shí)際應(yīng)用的各種條件。

４．３ 二極管的選擇

由于ＴＰＳ６１０４２的開(kāi)關(guān)頻率很高，因此二極管要選用快速整流管。推薦使用肖特基二極管，如ＭＢＲ０５２０、ＭＢＲ０５３０、Ｔｏｓｈｉｂａ ＣＲＳ０２、Ｚｅｔｅｘ ＺＨＣＳ４００等。

４．４ 電容的選擇

輸入電容可以選用低ＥＳＲ的電容，典型容量值為４．７μＦ。為達(dá)到更好的輸入濾波，電容量也可適當(dāng)增加。

輸出電容一般選用鉭電解電容。輸出電容影響著電壓輸出紋波和轉(zhuǎn)換器的線性調(diào)節(jié)性能。當(dāng)輸出電容大于１μＦ時(shí)，線性調(diào)節(jié)性能可達(dá)到１％／Ｖ。

    ４．５ ＬＥＤ電流的設(shè)置

通過(guò)對(duì)檢測(cè)電阻Ｒｓ的設(shè)置可調(diào)整ＬＥＤ電流。如果Ｒｓ的電壓為參考電壓２５２ｍＶ，則ＬＥＤ的電流為：

ＩＬＥＤ＝ＶＦＢ／ＲＳ＝０．２５２Ｖ／ＲＳ

５　其它注意事項(xiàng)

ＴＰＳ６１０４２是高轉(zhuǎn)換頻率高極限電流的ＤＣ－ＤＣ控制器，在ＰＣＢ制板中輸入電容要盡量靠近開(kāi)關(guān)腳（ＳＷ），以降低噪聲對(duì)其它電路的耦合。而反饋電路由于阻抗較高，應(yīng)遠(yuǎn)離電感。轉(zhuǎn)換器采用ＱＦＮ小型封裝，要采用散熱焊盤和寬走線方式來(lái)增強(qiáng)散熱效能。