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TPS60101應用于低功耗手持式設定器的電源設計方案
梁偉
TI
摘要: 本文設計的低功耗現(xiàn)場設定用手持裝置是一種具有RS-485通訊功能的手持式設定器,支持MODBUS協(xié)議,通過RS-485現(xiàn)場總線對某公司生產(chǎn)的現(xiàn)場遠程采集控制模塊等儀表設備進行現(xiàn)場參數(shù)檢測和設定,如設定遠程終端裝置的系統(tǒng)子站號碼、通訊協(xié)議、波特率等,或者現(xiàn)場檢測模塊的各種設置參數(shù),它作為配套設備提供給用戶。
Abstract:
Key words :

  隨著title="低功耗">低功耗單片機及輔助芯片應用技術的發(fā)展,各種應用場合對單片機系統(tǒng)有了更加嚴格的要求,便攜式解決方案在系統(tǒng)設計中開始占據(jù)越來越大的比重,并越來越多地傾向于低電壓、低功耗、微型化設計。在這些便攜產(chǎn)品的設計中,一般均采用電池作為系統(tǒng)供電方式。在一些使用交流供電的系統(tǒng)中,也設計了后備電池供電方式。TPS60101具有微功耗、高效率、可控、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,可以為這些設計提供完美的電源解決方案。它一般使用兩節(jié)電池提供輸入,1.8-3.6 V均可正常工作,充分保證了單片機系統(tǒng)在外接鋰電池、鎳氫電池或堿性干電池時,在電池電量狀態(tài)變化過程中得到穩(wěn)定的電源供應。

  作者在設計一種應用于工業(yè)智能儀表的低功耗現(xiàn)場設定裝置時,采用了TPS60101作為系統(tǒng)電源芯片,配合單片機設計出了具用軟電源開關和自動關機功能的系統(tǒng)電源。

  TPS60101芯片簡介

  TPS60101芯片采用20腳TSSOP貼片封裝,圖1是它的引腳圖,具體引腳功能見表1。

引腳圖

表1 TPS60101引腳描述

TPS60101引腳描述

  精密的制造工藝和優(yōu)良的設計使得TPS60101具有出色的電氣性能,能夠滿足設計者苛刻的要求,具體特點如下:

  •   最大輸出電流100 mA,可滿足絕大多數(shù)低功耗單片機系統(tǒng)的功耗需求;
  •   少于5 mV的輸出電壓波動,提供3.3V±4%的穩(wěn)壓輸出;
  •   僅需少量外圍元件,無需諧振線圈等器件,自身無干擾輸出,應用電路體積很小;
  •   電荷泵效率最高可達90%;
  •   能夠采用外時鐘同步,以便在需要考慮同步干擾的場合使用;
  •   寬輸入電壓范圍,1.8-3.6 V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;
  •   50 μA的工作附加電流,0.05 μA的關斷漏電流,消耗電能很少,保證自身低功耗;
  •   具有工作/關斷控制,關斷模式下,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。

  TPS60101的使用方式

  TSP60101芯片在設計上做了許多實際考慮,允許設計者在不同的實際情況下靈活設計,如圖2、圖3和圖4,是它的三種典型應用方案,作者將根據(jù)自己的應用體會分別予以介紹。  

  TPS60101片內集成了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2個電容。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和圖3給出了推挽模式和單端模式的應用電路。

推挽模式應用電路

單端模式的應用電路

  一般來說,在對實際應用電路的體積沒有嚴格要求的情況下,應當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格的情況下,也可以考慮使用單端模式。

  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接低電平使用片內振蕩器產(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腳應接地以降低輸出噪聲。圖4給出了外同步時鐘方式的應用電路。

外同步時鐘方式的應用電路

  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接低電平為標準3.3 V輸出,接高電平為預置3.8 V輸出。在一般的應用場合,均應使用第1種方式;只有在對電源性能要求非常嚴格的情況下,才采取第2種方式。TPS60101提供粗略的 3.8 V輸出,后級再外接1個低壓差穩(wěn)壓器,例如TPS7330芯片,以獲得更加精確和穩(wěn)定的3V輸出。

  在實際設計應用中需要注意的是,芯片底部和印制版接觸處集成了一散熱片,在印制板上對應的位置需要鋪銅焊接,并和電源地相連,同時所有的PGND和GND引腳應該以盡可能短的粗導線相連。

  TSP60101在低功耗現(xiàn)場設定裝置中應用的實例

  作者設計的低功耗現(xiàn)場設定用手持裝置是一種具有RS-485通訊功能的手持式設定器,支持MODBUS協(xié)議,通過RS-485現(xiàn)場總線對某公司生產(chǎn)的現(xiàn)場遠程采集控制模塊等儀表設備進行現(xiàn)場參數(shù)檢測和設定,如設定遠程終端裝置的系統(tǒng)子站號碼、通訊協(xié)議、波特率等,或者現(xiàn)場檢測模塊的各種設置參數(shù),它作為配套設備提供給用戶。

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