電源轉換芯片TPS5430的特點(diǎn)及應用

　　內容摘要：TPS5430是TI （美國德州儀器公司） 最新推出的一款DC/DC開(kāi)關(guān)電源轉換芯片。其優(yōu)越的性能使得它剛剛上市就受到廣泛關(guān)注。本文描述了該芯片的特征、參數、功能、結構， 并結合實(shí)踐情況對其在地震前兆觀(guān)測儀器中的應用進(jìn)行了介紹。

　　一、引 言

　　地震前兆觀(guān)測儀器是地震前兆觀(guān)測的重要組成部分。只有儀器穩定、工作可靠， 才能為地震前兆分析工作提供連續的原始數據。不斷的挖掘和采用高性能的元器件替換相對性能低的、舊的元器件是改善儀器性能的一條途徑。

　　TPS5430是TI公司最新推出的一款性能優(yōu)越的DC /DC開(kāi)關(guān)電源轉換芯片。我們對其進(jìn)行了開(kāi)發(fā)， 并將其應用到了TJ – 2型體積式應變儀的數據采集系統。

　　二、TPS5430簡(jiǎn)介

　　1.TPS5430特性

　　TPS5430具有良好的特性， 其各項性能及主要參數如下：

　　高電流輸出：3A （峰值4A）;

　　寬電壓輸入范圍：5.5~36V;

　　高轉換效率：最佳狀況可達95%;

　　寬電壓輸出范圍：最低可以調整降到1.221V;

　　內部補償最小化了外部器件數量;

　　固定500kHz轉換速率;

　　有過(guò)流保護及熱關(guān)斷功能;

　　具有開(kāi)關(guān)使能腳， 關(guān)狀態(tài)僅有17uA靜止電流;

　　內部軟啟動(dòng)與其他同類(lèi)型直流開(kāi)關(guān)電源轉換芯片相比， TPS5430的高轉換效率特別值得關(guān)注。

　　圖1為在12V輸入電壓、5V輸出電壓時(shí)TPS5430轉換效率與輸出電流的關(guān)系曲線(xiàn)圖。

　　圖1　TPS5430芯片的效率- 電流關(guān)系曲線(xiàn)圖

　　2.功能和結構

　?。?） 管腳說(shuō)明：

　　TPS5430采取8腳SO IC PowerPADTM封裝， 形式如圖2。

　　圖2　TPS5430封裝

　?。?） 內部結構及功能：

　?、倬д瘢∣scillator） 頻率。

　　固定500kHz轉換速率， 使得在同樣的輸出波紋要求下產(chǎn)生更小的輸出電感。

　?、诨鶞剩≧eference） 電壓。

　　通過(guò)縮放溫度穩定能隙帶電路的輸出范圍， 基準電壓系統產(chǎn)生精確的基準信號。經(jīng)測試， 在允許的溫度范圍內， 1.221V電壓輸出時(shí)能隙帶和縮放電路保持平衡。

　?、?ENA （使能腳） 和（ Slow Start） 內部軟啟動(dòng)。

　　當ENA腳上的電壓超過(guò)極限電壓時(shí)轉換器和內部的軟啟動(dòng)開(kāi)始工作， 低于極限電壓，轉換器停止工作軟啟動(dòng)開(kāi)始復位。ENA腳接地或電壓小于015V時(shí)轉換器停止工作。ENA腳可以懸空。

　?、?UVLO （欠壓鎖定） 。

　　TPS5430帶有UVLO電路。無(wú)論在上電或掉電過(guò)程中， 只要V IN （輸入電壓） 低于極限電壓， 轉換芯片不工作。UVLO比較器的典型遲滯值為330mV.

　?、?Boost CaPACitor （啟動(dòng)電容） 。

　　在BOOT腳和PH腳間連接0.01μF的陶瓷電容， 為MOSFET的高端提供門(mén)電壓。

　?、?VSENSE （外部反饋） and Internal Compensation （內部補償） 。

　　輸出電壓通過(guò)外部電阻分壓被反饋到VSENSE腳。在穩定狀態(tài)下， VSENSE腳的電壓等于電壓參考值1.221V.TPS5430擁有內部補償電路， 簡(jiǎn)化了芯片設計。

　?、?Voltage Feed Forward （電壓正反饋） 。

　　內部的電壓正反饋保證了無(wú)論輸入電壓如何變化電源芯片都有一個(gè)恒定的增益。這大大簡(jiǎn)化了穩定性分析， 改進(jìn)了瞬態(tài)響應。TPS5430的正反饋增益典型值為25.

　?、?Pulse – W idth – Modulation Control （脈寬控制） 。

　　轉換器采取固定頻率控制方式。

　?、?Overcurrent Protection （過(guò)流保護） 。

　　過(guò)流保護電路使得電流超過(guò)極限值時(shí)， 內部的過(guò)流指示器設置為真， 過(guò)流保護被觸發(fā)。

　?、?Thermal Shutdown （熱關(guān)斷） 。

　　接點(diǎn)溫度超過(guò)了溫度關(guān)斷點(diǎn)， 電壓參數被置為地， 高端MOSFET關(guān)斷。受軟啟動(dòng)電路的控制， 當接點(diǎn)溫度降到比溫度關(guān)斷點(diǎn)低14℃時(shí)， 芯片重新啟動(dòng)。

　　三、TPS5430在地震前兆觀(guān)測數據采集系統中的應用

　　數據采集系統是地震前兆觀(guān)測儀器的重要組成部分， 它將傳感器探測到的微弱模擬信號轉換成數字信號， 并運算， 為后續的地震分析提供可靠數據。

　　最初， 我們曾采用MAX1626等芯片電源為T(mén)J – 2型體積式應變儀數據采集系統供電，但在測試中我們發(fā)現系統工作不穩定， 儀器會(huì )出現自動(dòng)重啟現象。究其原因， 發(fā)現是MAX1626等芯片電源帶負載能力不足夠大造成的。因此， 經(jīng)過(guò)多方考察， 我們最終選用帶負載能力強、效率高、外圍器件少的TPS5430芯片作電源， 為數據采集系統的A /D轉換模塊和數據處理模塊供電， 原理如圖3。

　　圖3 數據采集系統原理圖。

　　1.電路設計

　　在對TJ – 2型體積式應變儀數據采集系統的供電電源設計過(guò)程中， 首先要根據工作要求確定設計參數， 然后根據參數設計電路和選擇外圍元器件。

　?。?） 設計參數要求

　　輸入電壓范圍： 10.8~19.8V;輸出電壓： 5V;輸入波紋電壓： 300mV;輸出波紋電壓： 30mV;輸出額定電流： 3A.

　?。?） 應用電路

　　本系統電源設計選用TPS5430的經(jīng)典電路， 如圖4。

　　圖4 1018~1918V輸入轉5V輸出電壓應用電路圖

　?。?） 元件的選擇

　?、佥斎腚娙?。

　　TPS5430需要一個(gè)稍大些的退耦電容。這里推薦10μF （C 1） 的高性能陶瓷電容。也可以選擇小一點(diǎn)的電容， 但要滿(mǎn)足輸入電壓和額定電流波紋要求。

　?、谳敵鰹V波器件。

　　輸出濾波器件， 即L 1、C 2.TPS5430具有內部補償電路。輸出電感與最大輸出電流有關(guān)， 這里選擇15μH電感。

　　輸出電容是影響額定電壓、額定波紋電流和等價(jià)阻抗（ ESR） 的重要設計因素。此應用中選擇220μF輸出電容， 此時(shí)電路中產(chǎn)生的RMS波紋電流為143mA， 需要最大的ESR為40MΩ。

　?、圯敵鲭妷涸O置。

　　輸出電壓由VSENSE腳的電阻（R 1、R 2 ） 決定。如果輸出電壓5.0V， 參考電壓1.221V， R1為10kΩ， 則確定R2為3.24kΩ。

　?、?BOOT （啟動(dòng)） 電容。

　　BOOT電容C 2選擇0.01μF.

　?、莶东@二極管。

　　TPS5430需要外部捕獲二極管， 選擇B340A， 它的反向電壓為40V， 正向電流3A， 正向電壓0.5V.

　　2.電路板設計

　　TI公司推薦了TPS5430的10.8~19.8V輸入轉5V輸出電壓電路板布線(xiàn)和元器件放置方式圖， 如圖5。

　　TPS5430的電路板設計過(guò)程中要遵循一般電源轉換芯片電路的設計原則， 以達到預期效果。另外還有兩點(diǎn)需要注意：

　?、?PowerPAD要求與地相連， 可在芯片正下方放置焊盤(pán)， 并打過(guò)孔， 以方便正確馬愛(ài)虹等： 電源轉換芯片TPS5430及其應用焊接。

　?、趯NA腳沒(méi)有特殊要求時(shí)可懸空， 也可預留出信號過(guò)孔。

　　圖5 電路板設計圖

　　四、結 語(yǔ)。

　　目前， 利用TPS5430電源供電的TJ22型體積式應變儀的數據采集儀器已經(jīng)在內蒙古、云南等很多地震臺站中得到實(shí)際應用。經(jīng)過(guò)驗證電源工作狀況良好， 各項性能均能滿(mǎn)足工作要求， 可推廣到其他硬件設計中。