应用领域：电源电池

方案类型：芯片级方案

主控芯片：TI

方案概述此参考设计将详细说明可为源驱动器和栅极驱动器的辅助电源产生双极电压轨的显示器电源电路。电荷泵可用于为栅极驱动器产生电压电源，从而使得此设计易于实现。通过仅使用一个直流/直流转换器来产生四个电压轨并进而尽可能减少电感数量，此电路可实现小型设计尺寸。

方案优势：

适用于 TFT LCD 显示偏置的全套电源解决方案

4 个输出电压轨

低于 0.5mA 的低静态电流

低于 2% 的全轨负载调整

通过汽车认证的组件

TPS65131介绍

具有正负(双路)输出的 1950mA 升压电流，用于 OLED 和 CCD 传感器，24 QFN

描述

The TPS6513x is dual-output DC-DC converter generating a positive output voltage up to 15 V and a negative output voltage down to –15 V with output currents in a 200-mA range in typical applications, depending on input voltage to output voltage ratio. With a total efficiency up to 85%, the device is ideal for portable battery-powered equipment. The input voltage range of 2.7 V to 5.5 V allows the devices to be powered from batteries or from fixed 3.3-V or 5-V supplies. The TPS6513x comes in a small 4-mm × 4- mm VQFN-24 package. Together with a minimum switching frequency of 1.25 MHz, the device enables designing small power supply applications because it requires only a few small external components.

The converter operates with a fixed frequency PWM control topology and, if power-save mode is enabled, it uses a pulse-skipping mode at light-load currents. It operates with only 500-µA device quiescent current. Independent enable pins allow power-up and powerdown sequencing for both outputs. The device has an internal current limit overvoltage protection and a thermal shutdown for highest reliability under fault conditions.

特性

2.7-V to 5.5-V Input Voltage Range

Dual Adjustable Output Voltages Up to 15 V and

Down to –15 V

800-mA Typical Switch Current Limit at Boost and

Inverter Main Switches at TPS65130

2-A Typical Switch Current Limit at Boost and

Inverter Main Switches at TPS65131

Up to 89% Efficiency at Positive Output

Voltage Rail

Up to 81% Efficiency at Negative Output

Voltage Rail

Power-Save Mode for High Efficiency at Low Load

Currents

Independent Enable Inputs for Power-Up and

Power-Down Sequencing

Control Output for External PFET to Support

Completely Disconnecting the Battery

Minimum 1.25-MHz Fixed Frequency PWM

Operation

Thermal Shutdown

Overvoltage Protection on Both Outputs

1-µA Shutdown Current

Small 4-mm × 4-mm VQFN-24 Package (RGE)

参数

Topology：Split-Rail

Vin (Min) (V)：2.7

Vin (Max) (V)：5.5

Vout (Min) (V)：3.2

Vout (Max) (V)：15

Vout2 (Min) (V)：-15

Vout2 (Max) (V)：-2

Switching Frequency (Min) (kHz)：1250

Switching Frequency (Max) (kHz)：1500

Iq (Typ) (mA)：0.5

Iout (Max) (A)：0.75

Operating Temperature Range (C)：-40 to 85

Rating：-40 to 85

Package Group：VQFN

电荷泵介绍

电荷泵，也称为开关电容式电压变换器，是一种利用所谓的“快速”(flying)或“泵送”电容(而非电感或变压器)来储能的DC-DC(变换器)。

1、定义：也称为开关电容式电压变换器，是一种利用所谓的“快速”(flying)或“泵送”电容(而非电感或变压器)来储能的DC-DC(变换器)。它们能使输入电压升高或降低，也可以用于产生负电压。其内部的FET开关阵列以一定方式控制快速电容器的充电和放电，从而使输入电压以一定因数(0.5,2或3)倍增或降低，从而得到所需要的输出电压。这种特别的调制过程可以保证高达80%的效率，而且只需外接陶瓷电容。由于电路是开关工作的，电荷泵结构也会产生一定的输出纹波和EMI(电磁干扰)。

e.g：通过控制内部三极管的gate来控制电容充放电,比如升1.5倍，输出为Vin加上电容两端的0.5Vin达到Vout=1.5Vin

DC-DC：直流-直流转换模块

电荷泵分类

2.1 电荷泵分类

电荷泵可分为：

——开关式调整器升压泵

——无调整电容式电荷泵

——可调整电容式电荷泵

电荷泵工作过程

电荷泵的工作过程

3种电荷泵的工作过程均为：首先贮存能量，然后以受控方式释放能量，以获得所需的输出电压。开关式调整器升压泵采用电感器来贮存能量，而电容式电荷泵采用电容器来贮存能量。

电容式电荷泵通过开关阵列和振荡器、逻辑电路、比较控制器实现电压提升，采用电容器来贮存能量。因工作于较高频率，可使用小型陶瓷电容器(1μF)，占用空间最小，使用成本较低。电荷泵仅用外部电容器即可提供±2倍的输出电压。其损耗主要来自电容器的等效串联电阻(ESR)和内部开关晶体管的RDS(ON)。电荷泵转换器不使用电感器，因此其辐射EMI可以忽略。输入端噪声可用一只小型电容器滤除。它的输出电压是工厂生产时精密预置的,可通过后端片上线性调整器调整，因此电荷泵在设计时可按需要增加电荷泵的开关级数，以便为后端调整器提供足够的活动空间。电荷泵十分适用于便携式应用产品的设计，是一个基准、比较、转换和控制电路组成的系统。

一般应用

在DCDC电源后，2倍升压与翻转负电源，给LCD供电。

电荷泵应用

在过去的十年了,电荷泵得到了广泛运用,从未调整单输出IC到带多输出电压的调整IC。输出功率和效率也得到了发展,因此现在的电荷泵可以输出高达250mA的电流,效率达到75%(平均值)。电荷泵大多应用在需要电池的系统,如蜂窝式电话、寻呼机、蓝牙系统和便携式电子设备。

主要应用包括驱动用于手机背光的白光LED和毫瓦范围的数字处理器。

电荷泵如何工作

电荷泵(开关电容)IC通过利用一个开关网络给两个或两个以上的电容供电或断电来进行DC/DC电压转换。基本电荷泵开关网络不断在给电容器供电和断电这两个状态之间切换。C1(充电电容)传输电荷,而C2(充电电容器)则储存电荷并过滤输出电压。

额外的“快速电容”和开关阵列带来多种好处。

电荷泵有哪些工作模式

电荷泵IC可以用作逆变器、分路器或者增压器。逆变器将输入电压转变成一个负输出。作为分路器使用时,输出电压是输出电压的一部分,例如1/2或2/3。作为增压器时,它可以给I/O带来一个1.5X或者2X的增益。很多便携式系统都是用一个单锂离子电池或者两个金属氢化物镍电池。因此当在2X模式下运行时,电荷泵可以给一般在3.3V到4.0V的范围内工作的白光LED供应适当的正向电压。

电荷泵的输出电压经过调节吗

基本电荷泵缺少调整电路,因此实际上所有当今使用的电荷泵IC都增加线性调整或者电荷泵调制。线性调整的输出噪音最低,并可以在更低的效率情况下提供更好的性能。而由于调整IC没有串联传输晶体管,控制开关电阻的电荷泵调制就可以提供更高的效率,并为一个给定的芯片面积(或消耗)提供更多的输出电流。

电荷泵的主要优势是什么

电荷泵消除了电感器和变压器所带有的磁场和电磁干扰。但是,仍然有一个可能的微小噪音源,那就是当快速电容和一个输入源或者另外一个带不同电压的电容器相连时,流向它的高充电电流。同样的,“分路器”电荷泵也能在LDO上改进效率,但又不会像感应降压调整器那样复杂。

电荷泵的输出电压和它的输入电压适配吗

电荷泵可以依据电池电压输入不断改变其输出电压。例如,它在1.5X或1X的模式下都可以运行。当电池的输入电压较低时,电荷泵可以产生一个相当于输入电压的1.5倍的输出电压。而当电池的电压较高时,电荷泵则在1X模式下运行,此时负载电荷泵仅仅是将输入电压传输到负载中。这样就在输入电压较高的时候降低了输入电流和功率损耗。

增加电容的开关频率会发生什么变化

增加开关频率也就增加了IC的静态电流,但是也同时降低了C1和C2的电容值。常态频率结构提供低噪音调整输出电压,同时其输入噪音也比传统的电荷泵调节器要低。高频率操作简化了过滤,从而进一步降低了传导噪音。

哪些电容器最适用于电荷泵

要实现最优的性能,就要采用带低等效串联电阻(ESR)的电容器。低ESR电容器须用在IC的输出上,来将输出波纹和输出电阻最小化,并达到最高的效率。陶瓷电容器就可以做到这一点,但是某些钽电容器可能要比较合适一点。

电荷泵软启动将带来什么效应

软启动可以在启动时阻止在VIN出产生过多的电流流量,从而增加了可定期用于输出电荷储存电容器的电流量。软启动一般在设备被关机时激活,并在设备获得调整之后立刻屏蔽。

电荷泵IC如何将功率消耗最小化

通过运用脉冲频率调制,IC只有在当电荷必须传输出去来保持输出调节的时候才产生电荷。当输出电压高于目标调节电压时,IC是闲置的,此时消耗的电流最小,因为储存在输出电容器上的电荷会提供负载电流。而随着这个电容器不断放电以及输出电压逐渐降到目标调节电压一下,电荷泵才会激活并向输出传输电荷。这个电荷供给负载电流,并增加输出电容器上的电压。

TFT-LCD介绍

tft-lcd是薄膜晶体管液晶显示器英文thin film transistor-liquid crystal display字头的缩写。 tft-lcd技术是微电子技术与液晶显示器技术巧妙结合的一种技术。人们利用在si上进行微电子精细加工的技术，移植到在大面积玻璃上进行tft阵列的加工，再将该阵列基板与另一片带彩色滤色膜的基板，利用已成熟的lcd技术，形成一个液晶盒相结合，再经过后工序如偏光片贴覆等过程，最后形成液晶显示器。

TFT-LCD结构特点

和tn技术不同的是，tft的显示采用“背透式”照射方式——假想的光源路径不是像tn液晶那样从上至下，而是从下向上。这样的作法是在液晶的背部设置特殊光管，光源照射时通过下偏光板向上透出。由于上下夹层的电极改成fet电极和共通电极，在fet电极导通时，液晶分子的表现也会发生改变，可以通过遮光和透光来达到显示的目的，响应时间大大提高到80ms左右。因其具有比tn-lcd更高的对比度和更丰富的色彩，荧屏更新频率也更快，故tft俗称“真彩”。 　相对于dstn而言，tft-lcd的主要特点是为每个像素配置一个半导体开关器件。由于每个像素都可以通过点脉冲直接控制。因而每个节点都相对独立，并可以进行连续控制。这样的设计方法不仅提高了显示屏的反应速度，同时也可以精确控制显示灰度，这就是tft色彩较dstn更为逼真的原因。 　在tft-lcd中，tft的功能就是相当于一个开关管。常用的tft是三端器件。一般在玻璃基板上制作半导体层，在其两端有与之相连接的源极和漏极。并通过栅极绝缘膜，与半导体相对置，设有栅极。利用施加于栅极的电压来控制源、漏电极间的电流。 　对于显示屏来说，每个像素从结构上可以简化看作为像素电极和共同电极之间夹一层液晶。更重要的是从电的角度可以把它看作电容。其等效电路为图1所示。要对j行i列的像素p(i,j)充电，就要把开关t(i,j)导通，对信号线d(i)施加目标电压。当像素电极被充分充电后，即使开关断开，电容中的电荷也得到保存，电极间的液晶层分子继续有电压施加场作用。数据(列)驱动器的作用是对信号线施加目标电压，而栅极(行)驱动器的作用是起开关的导通和断开。由于加在液晶层上的显示电压可存储于各像素的存储电容，可以使液晶层能稳定地工作。这个显示电压通过tft也可在短时间内可以重新写入，因此，即使在对高清晰度lcd中，也能满足不降低图像品质要求。 　显示图像的关键还在于液晶在电场作用下的分子取向。一般通过对基板内侧的取向处理，使液晶分子的排列产生希望的结构变形来实现不同的显示模式。选择一定的显示模式，在电场作用下，液晶分子产生取向变化，并通过与偏振片的相配合，使入射光在通过液晶层后的强度随之发生变化。从而实现图像显示。 　总而言之，tft-lcd与无源tn-lcd、stn-lcd的简单矩阵不同，它在液晶显示屏的每一个象素上都设置有一个薄膜晶体管(tft)，可有效地克服非选通时的串扰，使显示液晶屏的静态特性与扫描线数无关，因此大大提高了图像质量。而开关单元(即tft)的特性，则要满足通态电阻低，闭态电阻非常大这一要求。

TFT-LCD工作原理

大家知道crt的工作原理是通电后灯丝发热，阴极被激发，发射出电子流，电子流受到带有高电压的内部金属层的加速，经过透镜聚焦形成极细的电子束，打在荧光屏上，使荧光粉发光。和crt的原理完全不同，lcd需要来自背后的光源，当光束通过这层液晶时，液晶体会并排或呈不规则扭转形状，所以液晶更像是一个个闸门，选择光线穿透与否，我们才能在屏幕看到深浅不一，错落有致的图像。

目前主流的液晶显示器都是薄膜晶体管lcd(tftlcd)，是由原有的液晶显示技术发展扩展而来的。tft液晶为每个像素都设有一个半导体开关，以此做到完全的单独的控制一个像素点，液晶材料被夹在tft玻璃层和颜色过滤层之间，通过改变刺激液晶的电压值就可以控制最后出现的光线强度与色彩。

一般情况下液晶是透明的，除非施加电压。加压后，一部分会发生变化，变得不透明。液晶的这个转换速度通常很慢(后面会有详细描述)。在1992年，emi宣布发明了一种新的液晶显示技术铁电液晶flcd(ferroelectriclcds)。铁电液晶的优点是响应速度快，可达微秒级。而且无需更改电压也可以保持当前的状态，也就是更省电，这对于笔记本电脑，pda等便携设备而言是非常有意义的。flcd的优点众多，但目前市场上的产品却很少，因为flcd对于震动非常敏感，很容易损伤晶体，但将来一定会有所改进。

虽然铁电液晶flcd的将来还是个未知数，但它还拥有高对比度和超大可视角度等优点，对市场上主流的tft会造成一定的冲击。

在正常的工作温度下，flcd的反应时间只有70us!这么短的时间几乎可以忽略了。

TFT-LCD应用特性

推动tft-lcd迅速的发展的一个很重要的因素就是它有以下主要应用特点： 　(1)使用特性好：低压应用，低驱动电压，固体化使用安全性和可靠性提高;平板化，又轻薄，节省了大量原材料和使用空间;低功耗，它的功耗约为crt显示器的十分之一，反射式tft-lcd甚至只有crt的百分之一左右，节省了大量的能源;tft-lcd产品还有规格型号、尺寸系列化，品种多样，使用方便灵活、维修、更新、升级容易，使用寿命长等许多特点。显示范围覆盖了从1英寸至40英寸范围内的所有显示器的应用范围以及投影大平面，是全尺寸显示终端;显示质量从最简单的单色字符图形到高分辨率，高彩色保真度，高亮度，高对比度，高响应速度的各种规格型号的视频显示器;显示方式有直视型，投影型，透视式，也有反射式。 　(2)环保特性好：无辐射、无闪烁，对使用者的健康无损害。特别是tft-lcd电子书刊的出现，将把人类带入无纸办公、无纸印刷时代，引发人类学习、传播和记栽文明方式的革命。 　(3)适用范围宽，从-20℃到+50℃的温度范围内都可以正常使用，经过温度加固处理的tft-lcd低温工作温度可达到零下80℃。既可作为移动终端显示，台式终端显示，又可以作大屏幕投影电视，是性能优良的全尺寸视频显示终端。 　(4)制造技术的自动化程度高，大规模工业化生产特性好。tft-lcd产业技术成熟，大规模生产的成品率达到90]以上。 　(5)tft-lcd易于集成化和更新换代，是大规模半导体集成电路技术和光源技术的完美结合，继续发展潜力很大。目前有非晶、多晶和单晶硅tft-lcd，将来会有其它材料的tft，既有玻璃基板的又有塑料基板。

主要参数编辑

对于大多数用户而言，tft液晶显示器已经可以满足日常工作娱乐的要求，例如编辑照片，视屏，文档等等。然而对于游戏玩家就不一样了，他们的要求更高。crt比较重要的参数有屏幕大小，辐射，功耗等等，液晶显示器则有原始分辨率，非原始分辨率，反应时间和点距等等。