6毛钱SOT-23封装28V、400mA 开关升压转换器，LCD偏置电源和白光LED应用芯片TPS61040

SOT-23-5 封装 TPS61040 丝印PHOI

1 特性

• 1.8V 至 6V 输入电压范围
• 可调节输出电压范围高达 28V
• 400mA (TPS61040) 和 250mA (TPS61041) 内部开关电流
• 高达 1MHz 的开关频率
• 28μA 典型空载静态电流
• 1µA 典型关断电流
• 内部软启动
• 采用 SOT23-5、TSOT23-5以及 2mm × 2mm × 0.8mm WSON 封装

2 应用

• LCD 偏置电源
• 白光 LED 电源可用于 LCD 背光
• 数码相机
• PDA、整理器和手持设备 PC
• 手机
• 互联网音频播放器
• 标准 3.3V 或 5V 至 12V 的转换

3 说明

TPS6104x 是高频率升压转换器，专用于中小型 LCD偏置电源和白光 LED 背光电源。该器件非常适合使用两节镍氢电池/镍镉电池或单节锂离子电池生成高达28V 的输出电压。该器件也可用于实现从标准 3.3V 或5V 到 12V 的功率转换。
TPS6104x 的工作开关频率高达 1MHz。该频率支持使用外部小型元件，这些元件使用陶瓷和钽输出电容器。
TPS6104x 采用薄型 WSON 封装，因此整体解决方案尺寸很小。TPS61040 器件具有内部 400mA 开关电流限制，而 TPS61041 器件具有 250mA 开关电流限制，可提供更低的输出电压波纹，并支持对低功耗应用使用外形 尺 寸 更 小 的 电 感 器 。 低静 态 电 流 （ 典型值为28μA）加上优化型控制方案，可让器件在整个负载电流范围内保持非常高的工作效率。

器件信息

器件型号	封装(1)	封装尺寸（标称值）
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

典型应用原理图

5 引脚配置和功能

图 5-1. DDC 封装、DBV 封装 SOT 5 引脚 顶视图

图 5-2. DRV 封装 WSON 6 引脚 透明顶视图

表 5-1. 引脚功能

引脚名称	DDC、DBV 编号	DRV 编号	I/O	说明
EN	4	3	I	这是器件的使能引脚。将引脚拉至接地可使器件进入关断模式，使电源电流降至 1μA 以下。此引脚不得悬空，需要进行端接。
FB	3	4	I	这是器件的反馈引脚。将此引脚连接至外部分压器可对所需输出电压进行编程。
GND	2	1	–	接地
NC	–	5	–	无连接
SW	1	6	I	将电感器和肖特基二极管连接至此引脚。此为开关引脚，并连接至内部功率 MOSFET 的漏极。
VIN	5	2	I	电源电压引脚
		-散热焊盘	-	焊接到接地平面以进行散热

6 规格

6.1 绝对最大额定值

在自然通风条件下的工作温度范围内测得（除非另有说明）(1)

	最小值	最大值	单位
引脚 VIN 上的电源电压(2)	-0.3	7	V

7 详细说明

7.1 概述

TPS6104x 是高频率升压转换器，专用于中小型 LCD 偏置电源和白光 LED 背光电源。该器件非常适合使用两节镍氢电池/镍镉电池或单节锂离子电池生成高达 28V 的输出电压。

7.2 功能方框图

功能方框图

7.3 特性说明

7.3.1 峰值电流控制

内部 开 关 将 一 直 导 通 ， 直至 电 感 器 电 流 达 到 典 型 直 流 电 流 限 值 (ILIM) 400mA (TPS61040) 或 250mA(TPS61041)。由于内部传播延迟的典型值为 100ns ，实际电流将少量超出直流电流限制阈值。可以计算典型峰值电流限值：
(1)
输入电压越高且电感器值越低，峰值就越大。
选择 TPS6104x 后，可以根据特定应用电流限制要求来定制设计。较低的电流限值支持需要较低输出功率的应用，并允许使用具有较低电流额定值、外形尺寸较小的电感器。电流限值较低通常也意味着具有较低的输出电压纹波。

7.3.2 软启动

如果未采取特别的预防措施，所有电感升压转换器将在启动期间出现大浪涌电流。这会导致启动期间在输入轨处产生压降，并可能导致系统意外或提前关断。
TPS6104x 通过增加电流限制来限制此浪涌电流，这分两步执行，从 256 个周期的到下一 256 个周期的， 然后到全电流限制（请参阅图 8-4）。

7.3.3 使能

将使能端 (EN) 拉至接地可关闭器件，这可将关断电流降至 1μA（典型值）。因为在输入与输出之间有一条穿过电感器和肖特基二极管的导电路径，所以在关闭期间，输出电压等于输入电压。使能引脚必须端接，并且不得悬空。使用小型外部晶体管在关闭期间断开输入与输出之间的连接，如图 8-6 所示。

7.3.4 欠压锁定

欠压锁定可防止器件在低于典型 1.5V 的输入电压下误操作。当输入电压低于欠压阈值时，主开关将关断。

7.3.5 热关断

如果超出 168°C 的典型结温，将实现内部热关断并关闭内部 MOSFET。热关断迟滞通常为 25°C。此数据基于统计方法，未在 IC 的常规大规模生产期间进行测试。

7.4 器件功能模式

7.4.1 操作

TPS6104x 在 1.8V 至 6V 的输入电压范围下运行，并可生成最高 28V 的输出电压。该器件采用脉冲频率调制(PFM) 方案运行，并具有恒定峰值电流控制功能。该控制方案在整个负载电流范围内保持高效率，并且开关频率高达 1MHz，因此该器件允许使用非常小巧的外部元件。
转换器监控输出电压，当反馈电压低于通常为 1.233V 的基准电压时，内部开关将开启，电流将逐渐增大。当电感器电流达到内部设置的峰值电流，通常为 400mA (TPS61040) 或 250mA (TPS61041) 时，开关将关断。请参阅峰值电流控制以了解详细信息。关断开关的第二个条件是最大导通时间为 6μs（典型值）。这是为了限制转换器的最大导通时间以涵盖极端条件。开关关断时，外部肖特基二极管将正向偏置，为输出提供电流。开关在最低400ns（典型值）下保持关断，或直至反馈电压再次降至基准电压之下。使用此 PFM 峰值电流控制方案，转换器将在不连续导通模式 (DCM) 下运行，其中开关频率取决于输出电流，这可在整个负载电流范围内实现极高效率。
此调节方案具有固有稳定性，因此电感器和输出电容器的选择范围更广。

8 应用和实现

8.1 应用信息

TPS6104x 设计为具有最高达 28V 的输出电压，其输入电压范围为 1.8V 至 6V，开关峰值电流限制在 400mA（TPS61041 为 250mA）。该器件采用脉冲频率调制 (PFM) 方案运行，并具有恒定峰值电流控制功能。该控制方案在整个负载电流范围内保持高效率，并且开关频率高达 1MHz，因此该器件能够使用非常小巧的外部元件。以下部分提供了将 TPS61040 配置为采用 LCD 偏置电源的电压调节升压转换器的分步设计方法，如图 8-1 所示。

8.2 典型应用

以下部分提供了将 TPS611040 配置为采用 LCD 偏置电源的电压调节升压转换器的分步设计方法，如图 8-1 所示。

图 8-1. LCD 偏置电源

8.2.1 设计要求

表 8-1. 设计参数

设计参数	示例值
输入电压	1.8 V 至 6 V
输出电压	18V
输出电流	10mA

8.2.2 详细设计过程

8.2.2.1 电感器选择，最大负载电流

PFM 峰值电流控制方案具有固有稳定性，因此电感值不会影响稳压器的稳定性。电感器以及对应用的标称负载电流、输入和输出电压的选择将决定转换器的开关频率。根据应用，建议使用 2.2μH 到 47μH 之间的电感值。最大电感值由开关的最大导通时间决定，通常为 6μs。为确保正常运行，应在此 6μs 期间达到 400mA/250mA（典型值）的峰值电流限值。
转换器的最大开关频率由电感值决定。因此，所选电感值应确保不会超出转换器最大负载电流下的最大开关频率。最大开关频率通过以下公式计算：
其中
• IP = 峰值电流，如峰值电流控制中所述
• L = 所选的电感值
• VIN(min) = 在最小输入电压下产生的最高开关频率
如果所选的电感值未超过转换器的最大开关频率，则下一步是使用以下公式计算标称负载电流下的开关频率：
(3)
其中
• IP = 峰值电流，如峰值电流控制中所述
• L = 所选的电感值
• Iload = 标称负载电流
• Vd = 整流器二极管正向电压（通常为 0.3V）
更小的电感值会产生更高的转换器开关频率，但会降低效率。
电感值对最大可用负载电流的影响较小，仅是次要因素。计算特定运行条件下最大可用负载电流的理想方式是估算最大负载电流下的预期转换器效率。可以在图 6-1 到图 6-4 中所示的效率图中获得此数字。随后可以按如下所示估算最大负载电流：
(4)
其中
• IP = 峰值电流，如峰值电流控制中所述
• L = 所选的电感值
• fSmax = 先前计算出的最大开关频率
• η = 预计转换器效率。通常为 70% 到 85%
转换器的最大负载电流是处于工作点（转换器开始进入连续导通模式）时的电流。通常，转换器应始终在不连续导通模式下运行。
最后，所选电感器应具有符合转换器最大峰值电流（在峰值电流控制中计算得出）的饱和电流。在此运算中对 ILIM使用最大值。
另一个重要的电感器参数是直流电阻。直流电阻越低，转换器效率越高。请参阅表 8-2 和典型应用以选择电感器。

表 8-2. 建议用于典型 LCD 偏置电源的电感器（请参阅图 10-1）

器件	电感值	元件供应商(1)	备注
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	小尺寸解决方案
	4.7μH	Murata LQH3C4R7M24	小尺寸解决方案
TPS61041	10μH	Murata LQH3C100K24	高效率,小尺寸解决方案

8.2.2.2 设置输出电压

输出电压计算如下：
(5)
对于电池供电应用，应使用高阻抗分压器，R2 典型值应 ≤200kΩ，R1 最大值应为 2.2 MΩ。可使用较小值来降低反馈引脚的噪声灵敏度。
需要在上部反馈电阻 R1 中使用前馈电容器来为误差比较器提供足够的过驱。如果没有前馈电容器或前馈电容器的值过小，则 TPS6104x 将在开关节点 (SW) 处展现双脉冲或脉冲突发，而非单脉冲，这会增加输出电压纹波。如果可接受此较高的输出电压纹波，则可以不使用前馈电容器。
转换器的开关频率越低，需要的前馈电容器的容值就越大。可以先使用 10pF 前馈电容器。第一次估算时，也可使用以下公式来计算处于工作点时的前馈电容器的所需值：
(6)
其中
• R1 = 分压器的上电阻
• fS = 标称负载电流下转换器的开关频率（请参阅电感器选择，最大负载电流以计算开关频率）
• CFF = 选择最接近于计算结果的值
前馈电容器的容值越大，器件的线路调节就越差。因此，当线路调节至关重要时，所选前馈电容器的容值应尽可能小。有关线路和负载调节的详细信息，请参阅以下部分。

8.2.2.3 线路和负载调节

TPS6104x 的线路调节取决于反馈引脚上的电压纹波。通常，反馈引脚 FB 上的 50mV 峰-峰值电压纹波可提供很好的结果。
某些应用要求非常小的线路调节率，仅允许特定输入电压范围内较小的输出电压变化。如果没有在电压反馈分压器的上电阻中使用前馈电容器 CFF，器件将具有良好的线路调节率。如果没有前馈电容器，输出电压纹波会较高，因为 TPS6104x 在开关引脚 (SW) 上展现输出电压突发而非单脉冲，这将增加输出电压纹波。增加输出电容值可降低输出电压纹波。
如果无法增加输出电容值，可如上一部分所示使用前馈电容器 CFF。使用前馈电容器将增加反馈引脚 (FB) 上存在的电压纹波量。反馈引脚上的电压纹波越大 (≥50mV)，线路调节就越差。可通过两种方式进一步改进线路调节：

1. 使用较小的电感值来增加开关频率，这将降低输出电压纹波以及反馈引脚上的电压纹波。
2. 在反馈引脚 (FB) 与接地之间添加一个较小的电容器可将反馈引脚上的电压纹波再次降至 50mV。可以先使用为前馈电容器 CFF 选择的相同电容值。

8.2.2.4 输出电容器选择

为了实现出色的输出电压滤波，建议使用低 ESR 输出电容器。陶瓷电容器具有低 ESR 值，但也可以使用钽电容器，具体取决于应用。
假设转换器没有在开关节点 (SW) 处展现双脉冲或脉冲突发，输出电压纹波计算如下：
其中
• IP = 峰值电流，如峰值电流控制中所述
• L = 所选的电感值
• Iout = 标称负载电流
• fS(out) = 先前计算的标称负载电流下的开关频率
• Vd = 整流器二极管正向电压（通常为 0.3V）
• Cout = 所选输出电容器
• ESR = 输出电容器 ESR 值
请参阅表 8-3 和典型应用以选择输出电容器。

表 8-3. 推荐使用的输入和输出电容器

器件	电容器	电压额定值	元件供应商(1)	备注
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

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8.2.2.5 输入电容器选择

为了实现出色的输入电压滤波，建议使用低 ESR 陶瓷电容器。4.7μF 陶瓷输入电容器足以满足大部分应用的需求。若要改进输入电压滤波，可增加此值。请参阅表 8-3 和典型应用以了解输入电容器建议。

8.2.2.6 二极管选择

若要实现高效率，应使用肖特基二极管。此二极管的电流额定值应符合峰值电流控制中计算出的转换器峰值电流额定值。在此计算中对 ILIM 使用最大值。请参阅表 8-4 和典型应用以选择肖特基二极管。

表 8-4. 建议用于典型 LCD 偏置电源的肖特基二极管（请参阅图 10-1）

器件	反向电压	元件供应商(1)	备注
TPS6104x	30V	ON Semiconductor MBR0530
	20V	ON Semiconductor MBR0520
	20V	ON Semiconductor MBRM120L	高效率
	30V	Toshiba CRS02

8.3 系统示例

图 8-5. 具有可调输出电压的 LCD 偏置电源

图 8-6. 具有负载断开功能的 LCD 偏置电源

图 8-7. 正负输出 LCD 偏置电源

图 8-8. 标准 3.3V 至 12V 电源

图 8-9. 双电池转 5V/50mA 的转换效率在 VIN = 2.4V 条件下约等于 84%，Vo = 5V/45mA

A. C2 的较小输出电容值会导致 LED 纹波增加。

图 8-10. 具有可调亮度控制的白光 LED 电源在使能引脚上使用 PWM 信号，在 VIN = 3V 条件下，效率约等于86%，ILED = 15mA

图 8-11. 具有可调亮度控制的白光 LED 电源在反馈引脚上使用模拟信号

9 电源相关建议

此器件设计为在 1.8V 至 6V 的输入电源电压范围内运行。输入电源的输出电流必须根据 TPS6104x 的电源电压、输出电压和输出电流确定额定值。

10 布局

10.1 布局指南

通常对于所有开关电源，布局都是设计中的重要一步；尤其是在具有高峰值电流和高开关频率的情况下。如果设计布局时不够仔细，稳压器可能会出现噪声问题和占空比抖动。
输入电容器应放置在尽可能靠近输入引脚的位置，以实现良好的输入电压滤波。电感器和二极管应放置在尽可能靠近开关引脚的位置，以最大限度地减少耦合到其他电路中的噪声。反馈引脚和网络是高阻抗电路，因此反馈网络应远离电感器进行布线。反馈引脚和反馈网络应通过接地平面或迹线进行屏蔽，以最大限度地减少耦合到此电路中的噪声。
对于图 10-1 所示的粗体连接，应使用宽迹线。星型接地连接或接地平面可最大限度减少接地漂移和噪声。

10.2 布局示例

图 10-1. PCB布局图

包装信息

器件编号	状态	封装类型	封装编号	引脚数量	包装数量	生态计划	引线表面处理/球体材质	MSL 峰值温度	工作温度	器件丝印
TPS61040DBVR	正常	SOT-23	DBV	5	3000	RoHS和绿色	NIPDAU 、锡	1-260C级-UNLIM	-40 至 125	PHOI
TPS61040DBVRG4	生活购买	SOT-23	DBV	5	3000	RoHS和绿色	NIPDAU	1-260C级-UNLIM	-40 至 125	PHOI
TPS61040DDCR	正常	SOT-23-THIN	DDC	5	3000	RoHS和绿色	NIPDAU	Level-2-260C-1 年	-40 至 125	QXK
TPS61040DDCT	正常	SOT-23-THIN	DDC	5	250	RoHS和绿色	NIPDAU	Level-2-260C-1 年	-40 至 125	QXK
TPS61040DRVR	正常	WSON	DRV	6	3000	RoHS和绿色	NIPDAU	1-260C级-UNLIM	-40 至 125	CCL
TPS61040DRVT	正常	WSON	DRV	6	250	RoHS和绿色	NIPDAU	1-260C级-UNLIM	-40 至 125	CCL
TPS61040DRVTG4	正常	WSON	DRV	6	250	RoHS和绿色	NIPDAU	1-260C级-UNLIM	-40 至 125	CCL
TPS61041DBVR	正常	SOT-23	DBV	5	3000	RoHS和绿色	NIPDAU，锡	1-260C级-UNLIM	-40 至 85	PHPI
TPS61041DRVR	正常	WSON	DRV	6	3000	RoHS和绿色	NIPDAU	1-260C级-UNLIM	-40 至 85	CAW
TPS61041DRVT	正常	WSON	DRV	6	250	RoHS和绿色	NIPDAU	1-260C级-UNLIM	-40 至 85	CAW
TPS61041DRVTG4	正常	WSON	DRV	6	250	RoHS和绿色	NIPDAU	1-260C级-UNLIM	-40 至 85	CAW