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TPS60101用于低功耗系統(tǒng)的電源解決方案
摘要：介紹一種新穎的電荷泵直流穩(wěn)壓芯片TPS60101的性能特點和使用方式，結(jié)合實例分析其在低功耗單片機系統(tǒng)中的應(yīng)用。關(guān)鍵詞：TPS60101電荷泵低功耗單片機
隨著單片機應(yīng)用技術(shù)的發(fā)展，各種應(yīng)用場合對單片機系統(tǒng)有了更加嚴(yán)格的要求，便攜式解決方案在系統(tǒng)設(shè)計中開始占據(jù)越來越大的比重，并越來越多地傾向于低電壓、低功耗、微型化設(shè)計。在這些設(shè)計中，一般采用鎳氫、鎳鎘或鋰電池作為系統(tǒng)供電方式；在一些使用交流供電的系統(tǒng)中，均設(shè)計了后備電池供電方式。TPS60101具有高效率、寬輸入電壓范圍、穩(wěn)壓效果好、低漏電流、體積小等突出優(yōu)點，可以為這些設(shè)計提供完美的電源解決方案。
1TPS60101芯片簡介
TPS60101是TexasInstruments公司新推出的一種低噪聲電荷泵直流穩(wěn)壓芯片，能在輸入電壓動態(tài)范圍較大時，為單片機系統(tǒng)提供穩(wěn)定的直流供電。
1.1封裝形式及引腳說明
TPS60101芯片的封裝為一種特殊的TSSOP貼片封裝，如圖1所示。
芯片各引腳功能描述如表1所列。
表1TPS60101引腳功能
引腳名引腳號功能描述3V819模式選擇，接低電平輸出為標(biāo)準(zhǔn)3.3V，外接IN輸出為預(yù)置3.8VC1+6外接電荷泵電容C1正極C1-8外接電荷泵電容C1負極C2+15外接電荷泵電容C2正極C2-13外接電荷泵電容C2負極COM18模式選擇。掃低電則電荷泵工作于推挽模式，提供最佳穩(wěn)壓性能；接IN工作于單端模式，只需1個外接電容ENABLE3使能端。接IN正常工，接低電平進入關(guān)斷狀態(tài)FB4反饋輸入，接輸出腳以獲得最佳穩(wěn)壓效果GND1，20模擬地IN7，14外電源輸入OUT5，16穩(wěn)壓電源輸出PGND9～12穩(wěn)壓電源地SYNC2時鐘信號選擇，接地使用片內(nèi)時鐘，掃IN使用片外時鐘同步
1.2TPS60101的性能特點
精密的制造工藝和優(yōu)良的設(shè)計使得TPS60101具有出色的電氣性能：
◇最大輸出電流100mA，可滿足絕大多數(shù)低功耗單片機系統(tǒng)的要求；
◇少于5mV的輸出電壓波動，提供3.3（1±0.04）V的穩(wěn)壓輸出；
◇僅需少量外圍元件，無需諧振線圈等器件，應(yīng)用電路體積很小；
◇電荷泵效率可達90％；
◇寬輸入電壓范圍，1.8~3.6V均可正常工作，充分保證了單片機系統(tǒng)在外接不同類型電源以及電池電量狀態(tài)變化過程中得到穩(wěn)定的電源供應(yīng)；
◇50μA的工作附加電流，0.05μA的關(guān)斷漏電流，消耗電能很少；
◇關(guān)斷模式下，穩(wěn)壓電源輸出隔離，增加電源管理的可靠性；
◇微型的TSSOP貼片封裝，減小應(yīng)用電路體積。這種封裝形式在芯片底部集成了散熱片，可直接與印制板相連，在沒有增加電路體積的情況下有效提高了散熱性能。
2TPS60101的使用方式
和一般的電源穩(wěn)壓芯片相比，TPS60101的使用有一些特殊性和值得注意的地方，筆者將結(jié)合實際使用的體會加以闡述。
2.1電荷泵工作方式選擇
TPS60101片內(nèi)集成了2個升降壓電荷泵，通過改變芯片的18腳COM的外接電平可以選擇電荷泵的2種工作狀態(tài)：COM接地為推挽模式，接高電平為單端模式。推挽模式中，片內(nèi)的2個電荷泵的工作狀態(tài)在時域上有180°的相位差，各占據(jù)50％的負載周期進行推挽輸出。這種方式可以在最大限度上避免輸出電壓的波動，得到最好的穩(wěn)壓效果，但需要外接4個電解電容。在單端模式中，2個電荷泵是無相位差的并行輸出。這種方式僅需1個外接電容。圖2給出了單端模式的應(yīng)用電路。
一般來說，在對實際應(yīng)用電路的體積沒有嚴(yán)格要求的情況下，應(yīng)當(dāng)選擇推挽模式以獲得最好的工作性能。但是，由于TPS60101芯片本身體積很小，影響應(yīng)用電路體積的主要因素是外接元件。若工作于單端模式，則應(yīng)用電路的體積可以減少一半以上。如果在電壓穩(wěn)定度要求一般，但是對電路體積要求嚴(yán)格的情況下，也可以考慮使用單端模式。
2.2同步時鐘源選擇
通過改變第2腳的SYNC的外接電平可以選擇TPS60101的同步時鐘源。SYNC接低電平使用片內(nèi)晶振產(chǎn)生的同步時鐘信號，SYNC接高電平使用外部同步時鐘信號，外部時鐘信號引至3V8腳。
一般場合下只需使用片內(nèi)時鐘即可。但是，如果TPS60101的供電系統(tǒng)工作于某一個固定頻率時，采用外部時鐘同步方式更加合理。需要注意的是，在使用外部時鐘同步方式時，SKIP腳應(yīng)接地以降低輸出噪聲。圖3給出了外同步時鐘方式的應(yīng)用電路。
2.3輸出工作方式選擇
通過改變芯片19腳3V8的外接電平可以選擇芯片的輸出工作方式。3V8接低電平為標(biāo)準(zhǔn)3.3V輸出，接高電平為預(yù)置3.8V輸出。在一般的應(yīng)用場合，均應(yīng)使用第1種方式；只有在電壓要求非常嚴(yán)格的情況下，才采取第2種方式。TPS60101提供粗略的3.8V輸出，后級再外接1個低壓差穩(wěn)壓器，例如TPS7330芯片，以獲得更加精確的3.3V輸出。
2.4電路印制板設(shè)計
TPS60101的電路板設(shè)計有一些值得注意的地方：
第1，芯片引腳寬為0.30mm，間距0.65mm，較普通SO貼片封裝更加密集，需要自建封裝庫文件；
第2，芯片底部和印制版接觸處集成了一散熱片，在印制板上對應(yīng)的位置需要鋪銅焊接，并和電源地相連；
第3，所有的PGND和GND引腳應(yīng)該以盡可能短的粗導(dǎo)線相連。
3TPS60101在低功耗單片機系統(tǒng)中的應(yīng)用
我們在設(shè)計實現(xiàn)一個低功耗單片機系統(tǒng)的過程中，使用了TPS60101芯片作為系統(tǒng)電源解決方案，并收到了滿意的效果。
這一系統(tǒng)是一種支持USB總線通信的移動無線數(shù)據(jù)采集裝置。系統(tǒng)采用8051內(nèi)核的單片機作為中心控制器，擴展了無線數(shù)據(jù)采集模塊、CompactFlash卡數(shù)據(jù)存儲模塊以及USB總線收發(fā)模塊。系統(tǒng)嚴(yán)格要求低功耗，并具有可移動性，所以系統(tǒng)供電方式采用鋰電池供電。因為系統(tǒng)對電路體積要求不嚴(yán)，主要器件工作于異步方式，并且標(biāo)稱的3.3（1±0.04）V的輸出電壓可以滿足需要，所以，實際設(shè)計中將電荷泵設(shè)定于推挽模式，芯片使用片內(nèi)同步時鐘，以標(biāo)準(zhǔn)3.3V方式輸出。應(yīng)用電路如圖4所示。圖5為系統(tǒng)供電方式示意圖。
為了進一步降低系統(tǒng)耗電，系統(tǒng)在進行USB數(shù)據(jù)通信時，轉(zhuǎn)由USB總線供電。系統(tǒng)用一個判別電路判定當(dāng)前是否連接到USB總線，然后根據(jù)結(jié)果選擇供電方式。另外，設(shè)計了自動休眠功能以減少不必要的電池損耗。系統(tǒng)中使用了2片TPS60101的供電方式，一片用于給單片機系統(tǒng)不間斷供電，另一片給其余模塊供電。當(dāng)系統(tǒng)在一段時間未接收到外部輸入時，單片機通過控制TPS60101的ENABLE來實現(xiàn)關(guān)斷系統(tǒng)其它模塊電源的功能；當(dāng)系統(tǒng)接收到外部輸入時，則從休眠態(tài)中恢復(fù)到工作狀態(tài)。實現(xiàn)定時休眠功能的C51程序段如下：
while(1)//程序主循環(huán)
{……//空閑時間大于5min進入休眠態(tài)
if((idletime>3000)&&(sysmode==ON)
{idletime=0;enable=0;
sysmode=SLEEP;}
if(IsInput==TURE)//有輸入則喚醒
{enable=1;sysmode=ON;}
……
}
voidtimer0()interrupt1using1
{//中斷間隔為100ms
……
if(sysmode==ON)
idletime++;
……
}
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