可調LED亮度的DC-DC轉換器TPS61042

摘要：TPS61042是美國德州儀器公司生產的DC-DC轉換器。該器件同時可作為LED的驅動器，且其驅動輸出電壓可達27.5Ｖ。文中介紹了TPS61042的工作原理及典型應用設計方法。

關鍵詞：DC-DC轉換器；脈沖頻率調制PFM；脈沖寬度調制PWM；TPS61042

１　特點

ＴＰＳ６１０４２是一種高頻控制直流輸出的ＬＥＤ驅動器。通過將其脈沖寬度調制（ＰＷＭ）信號加至控制端（ＣＴＲＬ）可以調節ＬＥＤ亮度。ＬＥＤ電流可以通過外部檢測電阻設置。由于ＴＰＳ６１０４２內置Ｎ溝道 ５００ｍＡ ＭＯＳＦＥＴ，因而可有效地限制尖峰脈沖，其轉換頻率高達１ＭＨｚ。另外，芯片的ＣＴＲＬ腳控制信號還可以在停機狀態下使ＬＥＤ與地斷開，從而可有效避免漏電流損耗。

ＴＰＳ６１０４２可為ＬＥＤ背景燈提供驅動以應用于ＰＤＡ、掌上電腦、手持設備以及移動電話等設備中。其主要特性如下：

●可通過ＰＷＭ信號進行精確的亮度控制；

●內置５００ｍＡ、Ｎ溝道開關ＭＯＳＦＥＴ管；

●輸入電壓范圍為１．８Ｖ～６．０Ｖ；

●最大靜態電流為３８μＡ；

●轉換效率可達８５％；

●采用ＱＦＮ小型封裝。

２　ＴＰＳ６１０４２的極限值和管腳功能

ＴＰＳ６１０４２的極值電參數如下：

●電源電壓（Ｖｉｎ對ＧＮＤ）：－０．３Ｖ～７Ｖ；

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

●ＶＲＳ、ＶＣＴＲＬ、ＶＦＢ：Ｖｉｎ０．３Ｖ；

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

●工作溫度范圍：－４０～８５℃；

●結溫：１５８℃；

●存儲溫度：－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的結構框圖如圖２所示。該器件的主要功能有ＤＣ－ＤＣ轉換器、ＬＥＤ亮度控制以及過壓保護和欠壓鎖定等。

３．１ ＤＣ－ＤＣ轉換

ＴＰＳ６１０４２的電壓轉換采用脈沖頻率調制（ＰＦＭ）方式。轉換效率高達１ＭＨｚ。當檢測電阻上的電壓低于２５２ｍＶ時，主開關管Ｑ１接通，電流升高，當電流達到５００ｍＡ或接通時間超過６μｓ后，主開關管Ｑ１關斷。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的關斷時間且反饋電壓降到參考電壓（２５２ｍＶ）以下時，主開關管重新接通。該芯片的ＰＦＭ電流控制開關頻率和電感值、輸入輸出電壓、ＬＥＤ電流等有關。

３．２ 亮度控制

應用頻率范圍為１００Ｈｚ～５０ｋＨｚ的ＰＷＭ信號會使ＬＥＤ電流隨ＰＷＭ信號的有效周期產生脈動。ＰＷＭ信號有效周期可以從１％到１００％，當有效周期低于１％時，如果ＰＷＭ信號無效時間超過１０ｍｓ，轉換器就會停機。另外，ＴＰＳ６１０４２的控制端還有使能功能。當ＣＴＲＬ置于高電平５００μｓ后，轉換使能有效，而當ＣＴＲＬ置低３２ｍｓ后，轉換禁止。該ＰＷＭ信號的時序如圖３所示。

３．３ 過壓保護和欠壓鎖定

為防止輸出電壓高于Ｑ１的３０Ｖ極限電壓值，該芯片內部設計了過壓保護電路。當輸出電壓超過３０Ｖ時，Ｑ１關斷。而當輸入電壓低于１．５Ｖ時，轉換器關閉，此時Ｑ１和ＬＥＤ開關管Ｑ２呈高阻態。

４　應用電路設計

４．１ 極限電流值設置

圖４所示是ＴＰＳ６１０４２的典型應用電路，圖中，當電感上的電流達到５００ｍＡ之前，內部開關管保持接通。實際上，在電流達到５００ｍＡ極限時，在持續的１００ｎｓ內，電流可能會略微超過５００ｍＡ。具體極限電流如下：

ＩＰ＝Ｉ（ＬＩＭ）＋ＶＩ／Ｌ１００ｎｓ

即ＩＰ＝５００ｍＡ＋ＶＩ ／Ｌ１００ｎｓ

由此可見，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，轉換頻率也越高，但轉換效率較低，而且峰值電流較大。增大電感值可以限制輸出電流，但啟動時間較長。電感的直流電阻也可能影響轉換效率。直流電阻越低，轉換效率越高。因此，在選電感值時，要充分考慮實際應用的各種條件。

４．３ 二極管的選擇

由于ＴＰＳ６１０４２的開關頻率很高，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。為達到更好的輸入濾波，電容量也可適當增加。

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換器的線性調節性能。當輸出電容大于１μＦ時，線性調節性能可達到１％／Ｖ。

４．５ ＬＥＤ電流的設置

通過對檢測電阻Ｒｓ的設置可調整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

ＴＰＳ６１０４２是高轉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關腳（ＳＷ），以降低噪聲對其它電路的耦合。而反饋電路由于阻抗較高，應遠離電感。轉換器采用ＱＦＮ小型封裝，要采用散熱焊盤和寬走線方式來增強散熱效能。