TPS61165DRV 工作原理详解

1. 引言

TPS61165DRV 是一款由德州仪器（Texas Instruments）生产的高效升压型 LED 驱动芯片，专为驱动大功率 LED 应用而设计，广泛应用于显示屏背光、照明、汽车照明以及其他需要高亮度 LED 的场合。它可以将较低的输入电压转换为较高的输出电压，以驱动多个串联连接的高功率 LED。为了更好地理解 TPS61165DRV 的工作原理，我们需要详细分析其内部结构、工作模式、控制方式以及应用场景。

2. 基本概述

TPS61165DRV 是一款专门设计用于驱动 LED 的升压转换器（Boost Converter），其内建一个集成的功率开关（MOSFET），并支持多种控制模式（如 PWM 控制），以便能够精确地调节输出电流和电压，适应不同类型的 LED 负载。它的工作电压范围较宽，通常可以适应 2.6V 到 5.5V 的输入电压，能够在不同电池电压下提供稳定的 LED 驱动电流。

该芯片的主要特点包括高效的升压转换、LED 电流控制、内建的过流保护、过温保护等保护功能。TPS61165DRV 具有较高的电源效率，适合在电池供电的便携式设备中使用。

3. 工作原理

TPS61165DRV 的基本工作原理是基于升压转换器的拓扑结构，它通过调节开关的开关频率来实现电流和电压的调节。具体来说，TPS61165DRV 在工作时会周期性地开启和关闭内部开关（MOSFET），并通过电感器存储和释放能量，从而将输入电压提升到适合驱动 LED 的输出电压。

3.1 升压转换器工作模式

TPS61165DRV 采用的是典型的升压转换器拓扑，这种拓扑结构主要包括以下几个组成部分：

• 电感器：电感器用于存储能量并平滑电流。

• 开关（MOSFET）：开关周期性地开启和关闭，通过控制其导通和截止状态来调节能量传输的方式。

• 二极管：用于在开关断开时引导电流向负载流动，避免电流反向流动。

• 输出电容：输出电容用于平滑输出电压，减少电压波动。

在工作过程中，升压转换器的开关会周期性地打开和关闭。当开关导通时，电流通过电感器流动并积聚能量；当开关断开时，电感器会释放存储的能量，通过二极管传输到负载上（在此情况下是 LED）。

3.2 LED 驱动原理

TPS61165DRV 的输出电流是通过调节其内部的电压控制回路来精确控制的。为了确保 LED 的电流恒定，TPS61165DRV 使用了一个内部反馈机制，调节电流并保证 LED 不会过载。

1. PWM 控制：TPS61165DRV 通过 PWM（脉宽调制）控制方式，调节 MOSFET 的开关周期。通过改变 MOSFET 的导通时间和关断时间，来控制电感器中存储的能量，从而精确控制输出电压和输出电流。PWM 信号的占空比决定了输入电压和输出电压之间的转换效率，并且可以通过反馈环路来维持 LED 的电流恒定。

2. 电流感测：为了避免过大的电流损坏 LED，TPS61165DRV 内部设计了电流感测功能。通过电流传感器（如电阻分压或霍尔效应传感器），芯片能够实时监控通过 LED 的电流，并根据反馈调整开关的工作周期，保持电流稳定在预设值。

3. 亮度调节：为了支持不同亮度需求，TPS61165DRV 支持外部调光控制。调光信号通过 PWM 输入端口输入，可以控制 LED 的亮度。调光频率一般设置在几十 Hz 到几百 Hz 之间，以确保在眼睛可感知的范围内没有闪烁现象。

3.3 反馈控制与保护机制

TPS61165DRV 还具备高效的反馈控制和保护功能，以确保 LED 驱动的稳定性和安全性。

1. 过流保护：为了保护 LED 不受损坏，TPS61165DRV 在电流超过设定值时会自动降低输出电压或关闭输出，避免过流导致的损害。过流保护一般通过感测电流进行实时反馈，若电流超过安全范围，则会采取自动降压或断开电源等措施。

2. 过温保护：为了防止过热引起的芯片损坏，TPS61165DRV 内建温度传感器，能够实时监控芯片的工作温度。若温度超过设定的阈值，芯片会自动降低工作频率或进入保护状态，从而有效保护芯片不被过热损坏。

3. 短路保护：在负载发生短路时，TPS61165DRV 会检测到短路状态，并通过关闭开关或限制输出电流来保护电路。

4. 软启动功能：TPS61165DRV 具备软启动功能，在电源开启的瞬间，输出电流不会瞬间达到最大值，而是逐渐增加，从而避免了电流突变导致的电气冲击，增加了电路的可靠性。

4. 外部元件配置

虽然 TPS61165DRV 内部集成了许多功能，但为了优化其性能，通常需要配合一些外部元件一起工作。

1. 电感器：选择适合的电感器对于确保转换器的效率至关重要。电感器的选择需要考虑其电流容量、磁性和损耗等因素，以确保能够高效地存储和释放能量。

2. 电容器：输出电容器可以平滑电压波动，减少输出电压的噪声，因此选择高品质的电容器对于维持稳定的输出电压非常重要。

3. 反馈电阻：为了准确控制输出电流，TPS61165DRV 需要外部电阻分压器来设置反馈电压。通过调整反馈电阻的数值，可以精确设置 LED 的工作电流。

5. 应用领域

TPS61165DRV 作为一款高效的 LED 驱动器，具有广泛的应用领域。主要应用包括：

1. 显示屏背光：在液晶显示器、电视、智能手机等设备中，背光源一般采用高亮度的 LED。TPS61165DRV 能够有效驱动这些 LED，提供稳定且高效的背光电源。

2. 汽车照明：汽车内外照明系统，尤其是车灯、车标灯和装饰灯，常采用高效的 LED 照明。TPS61165DRV 可以确保 LED 的稳定工作，提供可靠的亮度输出。

3. 便携式设备：对于一些需要节能的便携式设备（如手电筒、便携式灯具等），TPS61165DRV 能够通过其高效的电源转换特性延长设备的使用时间。

4. 室内和户外照明：家庭照明、商业照明以及街道灯等应用中，TPS61165DRV 也被广泛使用，通过高效的升压转换提供恒定的 LED 电流和亮度。

6. 总结

TPS61165DRV 是一款功能强大且高效的升压型 LED 驱动器，具有出色的电流控制能力和保护功能，适用于多种 LED 驱动应用。通过精确控制开关的工作周期和电流感测反馈，TPS61165DRV 能够稳定地驱动 LED，保证其高亮度和长寿命。其广泛的应用领域和出色的性能使得它成为了电子产品中不可或缺的核心元件之一。