TPS60101用于低功耗系統的電源解決方案

關(guān)鍵詞：TPS60101 電荷泵 低功耗 單片機

隨著(zhù)單片機應用技術(shù)的發(fā)展，各種應用場(chǎng)合對單片機系統有了更加嚴格的要求，便攜式解決方案在系統設計中開(kāi)始占據越來(lái)越大的比重，并越來(lái)越多地傾向于低電壓、低功耗、微型化設計。在這些設計中，一般采用鎳氫、鎳鎘或鋰電池作為系統供電方式；在一些使用交流供電的系統中，均設計了后備電池供電方式。TPS60101具有高效率、寬輸入電壓范圍、穩壓效果好、低漏電流、體積小等突出優(yōu)點(diǎn)，可以為這些設計提供完美的電源解決方案。

1 TPS60101芯片簡(jiǎn)介

　　TPS60101是Texas Instruments公司新推出的一種低噪聲電荷泵直流穩壓芯片，能在輸入電壓動(dòng)態(tài)范圍較大時(shí)，為單片機系統提供穩定的直流供電。

1.1 封裝形式及引腳說(shuō)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1 TPS60101引腳功能

1.2 TPS60101的性能特點(diǎn)

　　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：

◇ 最大輸出電流100 mA，可滿(mǎn)足絕大多數低功耗單片機系統的要求；

◇ 少于5 mV的輸出電壓波動(dòng)，提供3.3（10.04）V的穩壓輸出；

◇ 僅需少量外圍元件，無(wú)需諧振線(xiàn)圈等器件，應用電路體積很??；

◇ 電荷泵效率可達90％；

◇ 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在外接不同類(lèi)型電源以及電池電量狀態(tài)變化過(guò)程中得到穩定的電源供應；

◇ 50 μA的工作附加電流，0.05 μA的關(guān)斷漏電流，消耗電能很少；

◇ 關(guān)斷模式下，穩壓電源輸出隔離，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(méi)有增加電路體積的情況下有效提高了散熱性能。

2 TPS60101的使用方式

　　和一般的電源穩壓芯片相比，TPS60101的使用有一些特殊性和值得注意的地方，筆者將結合實(shí)際使用的體會(huì )加以闡述。

2.1 電荷泵工作方式選擇

　　TPS60101片內集成了2個(gè)升降壓電荷泵，通過(guò)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(gè)電荷泵的工作狀態(tài)在時(shí)域上有180的相位差，各占據50％的負載周期進(jìn)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(dòng)，得到最好的穩壓效果，但需要外接4個(gè)電解電容。在單端模式中，2個(gè)電荷泵是無(wú)相位差的并行輸出。這種方式僅需1個(gè)外接電容。圖2給出了單端模式的應用電路。

　　一般來(lái)說(shuō)，在對實(shí)際應用電路的體積沒(méi)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。

2.2 同步時(shí)鐘源選擇

　　通過(guò)改變第2腳的SYNC的外接電平可以選擇TPS60101的同步時(shí)鐘源。SYNC接低電平使用片內晶振產(chǎn)生的同步時(shí)鐘信號，SYNC接高電平使用外部同步時(shí)鐘信號，外部時(shí)鐘信號引至3V8腳。

　　一般場(chǎng)合下只需使用片內時(shí)鐘即可。但是，如果TPS60101的供電系統工作于某一個(gè)固定頻率時(shí)，采用外部時(shí)鐘同步方式更加合理。需要注意的是，在使用外部時(shí)鐘同步方式時(shí)，SKIP腳應接地以降低輸出噪聲。圖3給出了外同步時(shí)鐘方式的應用電路。

2.3 輸出工作方式選擇

　　通過(guò)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(chǎng)合，均應使用第1種方式；只有在電壓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(gè)低壓差穩壓器，例如TPS7330芯片，以獲得更加精確的3.3 V輸出。

2.4 電路印制板設計

　　TPS60101的電路板設計有一些值得注意的地方：

第1，芯片引腳寬為0.30 mm，間距0.65 mm，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引腳應該以盡可能短的粗導線(xiàn)相連。

3 TPS60101在低功耗單片機系統中的應用

　　我們在設計實(shí)現一個(gè)低功耗單片機系統的過(guò)程中，使用了TPS60101芯片作為系統電源解決方案，并收到了滿(mǎn)意的效果。

　　這一系統是一種支持USB總線(xiàn)通信的移動(dòng)無(wú)線(xiàn)數據采集裝置。系統采用8051內核的單片機作為中心控制器，擴展了無(wú)線(xiàn)數據采集模塊、Compact Flash卡數據存儲模塊以及USB總線(xiàn)收發(fā)模塊。系統嚴格要求低功耗，并具有可移動(dòng)性，所以系統供電方式采用鋰電池供電。因為系統對電路體積要求不嚴，主要器件工作于異步方式，并且標稱(chēng)的3.3（10.04）V的輸出電壓可以滿(mǎn)足需要，所以，實(shí)際設計中將電荷泵設定于推挽模式，芯片使用片內同步時(shí)鐘，以標準3.3 V方式輸出。應用電路如圖4所示。圖5為系統供電方式示意圖。

　　為了進(jìn)一步降低系統耗電，系統在進(jìn)行USB數據通信時(shí)，轉由USB總線(xiàn)供電。系統用一個(gè)判別電路判定當前是否連接到USB總線(xiàn)，然后根據結果選擇供電方式。另外，設計了自動(dòng)休眠功能以減少不必要的電池損耗。系統中使用了2片TPS60101的供電方式，一片用于給單片機系統不間斷供電，另一片給其余模塊供電。當系統在一段時(shí)間未接收到外部輸入時(shí)，單片機通過(guò)控制TPS60101的ENABLE來(lái)實(shí)現關(guān)斷系統其它模塊電源的功能；當系統接收到外部輸入時(shí)，則從休眠態(tài)中恢復到工作狀態(tài)。實(shí)現定時(shí)休眠功能的C51程序段如下：

while(1) 　　　　　　　　　　　//程序主循環(huán)

{ …… 　　　　　　　　　　　　//空閑時(shí)間大于5 min進(jìn)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;}

……

}

void timer0() interrupt 1 using 1

{ 　　　　　　　　　　　　　　　//中斷間隔為100ms

　　……

　　if (sysmode==ON)

　　idletime++;

　　……

}