基于PTH05010的低電壓大電流電源解決方案

對于一個(gè)實(shí)際的電子系統，電源部分是不可缺少的，也是至關(guān)重要的。因為一旦電源出了問(wèn)題，很容易燒毀芯片，損失金錢(qián)且浪費時(shí)間，所以在電源的挑選上必須慎之又慎。挑選電源時(shí)不僅要關(guān)心輸入電壓、輸出電壓和電流，還要仔細考慮系統總的功耗、電源的穩定性、電源實(shí)現的效率、電源部分對負載變化的瞬態(tài)響應能力、關(guān)鍵器件對電源波動(dòng)的容忍范圍以及相應的允許的電源紋波，還有散熱問(wèn)題等。

現在大型FPGA等電子器件得到了日益廣泛的應用，FPGA的功耗一般比較大，工作電壓卻很低，所以電流一般比較大，特別是系統啟動(dòng)時(shí)瞬時(shí)電流很大，這就對電源提出了新的要求。目前市場(chǎng)上的電源芯片一般工作電流都是幾個(gè)安培，10安培以上的芯片很少，而且一般電壓不會(huì )做的很低，本文將就一種低電壓大電流的電源解決方案做一簡(jiǎn)略介紹。

表1為T(mén)I提供的Altera的StraixⅡ系列FPGA內核I/O電源參考。

從表1中可以看出，FPGA的內核及I/O工作電流都可達十幾安培甚至更高，而工作電壓一般在1.2～3.3V。分析了系統需要的具體技術(shù)指標，就可以來(lái)選擇合適的電源實(shí)現電路了。一般直流轉換電源分為線(xiàn)性穩壓電源和開(kāi)關(guān)穩壓電源。線(xiàn)性穩壓電源雖然具有優(yōu)良的紋波及動(dòng)態(tài)響應特性，輸出紋波小，但是效率不高，其工作效率僅為30%～50%，發(fā)熱量大，需要加體積龐大的散熱片，可提供的電流相對較小，其過(guò)載能力也很差。開(kāi)關(guān)穩壓電源的功耗極低，效率高，其平均工作效率可達70%～90%，發(fā)熱量小，穩壓范圍寬，但紋波大，在輸出端并接穩壓二極管可以改善，另外還會(huì )產(chǎn)生尖峰脈沖干擾，可在電路中串聯(lián)磁珠來(lái)改善。

本次設計要求輸入為5V直流電壓，輸出分別為1.2V和3.3V，電流均要求可達12A。由于電流較大，采用線(xiàn)性穩壓電源效率低，發(fā)熱量大，所以選用PTH05010開(kāi)關(guān)電源模塊。雖然FPGA不要求內核電源和I/O電源之間有特殊的上電順序, 但是從系統級考慮，總線(xiàn)競爭就要求按順序上電。這種情況下, 內核電源的上電就應當同步或提前于 I/O。如果只有內核獲得供電, I/O沒(méi)有供電, 對芯片不會(huì )產(chǎn)生損害, 只是沒(méi)有輸入輸出能力而已；如果反過(guò)來(lái), 周邊I/O得到供電而內核沒(méi)有加電，將是非常危險的。所以本設計加入了TPS3808監控電路，以確保兩種輸出電壓同時(shí)輸出，同時(shí)還具有低壓保護及系統復位的功能。

芯片簡(jiǎn)介

PTH05010是由TI公司推出的一款5V輸入，輸出電壓可調的電源模塊，其輸出電流可達15A。該系列電源模塊的引腳兼容，使用方法也一致，便于替換。

PTH05010電源模塊主要特性包括：輸入電壓范圍4.5～5.5V，輸出電壓0.8～3.6V，開(kāi)關(guān)頻率275～325kHz，最大穩壓誤差2%，最高轉換效率96% (不同電壓輸出時(shí)的效率不同，如輸出1.2V時(shí)效率為88％，輸出3.3V時(shí)效率為95％) 。

TPS3808是TI公司的一款具有低靜態(tài)電流、可編程延遲的監控電路。主要電器參數包括：輸入電壓范圍1.8～6.5V，上電復位可調整延遲時(shí)間1.25ms～10s，典型靜態(tài)電流2.4μA，高精度門(mén)限0.5％。

典型應用

PTH05010的典型應用電路如圖1所示。

圖1 PTH05010典型應用電路

從圖1中可以看出PTH05010所需的外圍器件很少，只需要三個(gè)器件即可工作，這就使得電路設計變得十分簡(jiǎn)單。其中輸入輸出分別有一個(gè)濾波電容，其標稱(chēng)值為最小推薦電容，也可再并聯(lián)其他電容來(lái)進(jìn)一步改善濾波效果，電阻是用來(lái)調節輸出電壓的，其計算公式如下。

因為輸出電壓僅由這一個(gè)電阻決定，所以要想保持輸出穩定可靠，此電阻最好為高精度電阻，而且應該有較好的溫度穩定度，否則阻值隨溫度變化而變化就會(huì )造成輸出電壓不穩定，溫度穩定度最好在100ppm/℃以上。

圖1中2引腳V_IN為輸入電壓，一般為5V；3引腳Inhibit可以關(guān)閉輸出電壓，通常做懸空處理；5引腳V_{o Sense}可以與輸出電壓引腳V_OUT相連來(lái)補償電源模塊與負載間的壓降，也可做懸空處理。8引腳Track可自動(dòng)跟蹤定序，輸入上電20ms后該引腳有效，該引腳可保證不同模塊在同一個(gè)驅動(dòng)電壓的作用下同時(shí)輸出電壓。該引腳可使輸出電壓隨該引腳電壓變化而變化，如果該引腳電壓高于設定的輸出電壓，輸出電壓輸出設定值。9引腳Margin Down和10引腳Margin Up，這兩個(gè)引腳如果與地相連可分別使輸出電壓降低或升高5％，可用于微調輸出電壓，不用時(shí)可以懸空。

TPS3808的典型應用電路如圖2所示。

圖2 TPS3808典型應用電路

在圖2中，當TPS3808的SENSE引腳電壓低于門(mén)限電壓或MR有效時(shí)，RESET引腳輸出復位信號，CT引腳用來(lái)設定復位延遲時(shí)間，若懸空延遲時(shí)間為20ms，通過(guò)電阻連接至V_DD則延遲時(shí)間為300ms，也可通過(guò)電容接地，根據電容值的不同可將延遲時(shí)間設定為 1.25ms～10s，電容值的計算公式如下。

TPS3808G12和 TPS3808G33的門(mén)限電壓分別為1.12V和3.07V，所以當1.2V或3.3V輸入電壓分別低于1.12V或3.07V時(shí)，DSP就會(huì )收到復位信號，從而對電路進(jìn)行了保護。

電路設計

圖3是完整的電源設計原理圖，系統結構十分簡(jiǎn)單，兩片PTH05010分別輸出3.3V和1.2V直流電壓，TPS3808G50的復位引腳與兩個(gè)電源模塊的Track引腳相連，在系統上電時(shí)保證了兩個(gè)模塊能夠同時(shí)輸出電壓。由于TPS3808G50的門(mén)限電平為4.65V，所以當輸出電壓低于4.65V時(shí)，TPS3808G50也會(huì )輸出復位信號，從而實(shí)現了電路保護。同時(shí)在TPS3808G50的MR引腳接了按鍵開(kāi)關(guān)，可實(shí)現人工復位。

圖3 電源設計原理圖

該電路在輸出端加了穩壓管和磁珠，用于保護電路、改善紋波及降低干擾。之所以在每個(gè)電源模塊的輸出端都串聯(lián)了兩個(gè)并行磁珠，是考慮到電流較大，多個(gè)磁珠并聯(lián)可以進(jìn)行分流，此外磁珠可抑制電源線(xiàn)上的高頻噪聲和尖峰干擾，還具有吸收靜電脈沖的能力。Margin Down和Margin Up引腳都引到了排針上，方便進(jìn)行電壓微調。用來(lái)調整輸出電壓的電阻R1和R2采用 0.1W、1％精度的電阻，其溫度穩定度不低于100ppm/℃，PCB布板時(shí)盡量靠近電源模塊放置，一定注意不要給該電阻并聯(lián)電容，否則會(huì )影響電源模塊的穩定性。

該電路經(jīng)過(guò)長(cháng)期使用，性能優(yōu)良，穩定可靠，而電路設計簡(jiǎn)單，十分適合需要較大工作電流的電路板電源設計。但該款電源相對于一般的線(xiàn)性電源價(jià)格比較昂貴，所以如果需要的電流不大，就沒(méi)必要選用該款電源。