| 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(diǎn)和使用方式,結(jié)合實(shí)例分析其在低功耗單片機(jī)系統(tǒng)中的應(yīng)用。 關(guān)鍵詞 TPS60101 電荷泵 低功耗 單片機(jī) 隨著單片機(jī)應(yīng)用技術(shù)的發(fā)展,各種應(yīng)用場(chǎng)合對(duì)單片機(jī)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(jì)中開(kāi)始占據(jù)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(shè)計(jì)。在這些設(shè)計(jì)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(jì)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(diǎn),可以為這些設(shè)計(jì)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(wěn)壓芯片,能在輸入電壓動(dòng)態(tài)范圍較大時(shí),為單片機(jī)系統(tǒng)提供穩(wěn)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。 
圖1 TPS60101封裝圖
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(shè)計(jì)使得TPS60101具有出色的電氣性能： ◇ 最大輸出電流100 mA,可滿足絕大多數(shù)低功耗單片機(jī)系統(tǒng)的要求;
◇ 少于5 mV的輸出電壓波動(dòng),提供3.3（1±0.04）V的穩(wěn)壓輸出;
◇ 僅需少量外圍元件,無(wú)需諧振線圈等器件,應(yīng)用電路體積很小;
◇ 電荷泵效率可達(dá)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(jī)系統(tǒng)在外接不同類型電源以及電池電量狀態(tài)變化過(guò)程中得到穩(wěn)定的電源供應(yīng);
◇ 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(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(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(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(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(nèi)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(nèi)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(jù)50％的負(fù)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(wěn)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(yīng)用電路。 
圖2 單端模式的應(yīng)用電路圖
一般來(lái)說(shuō),在對(duì)實(shí)際應(yīng)用電路的體積沒(méi)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(duì)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(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(nèi)晶振產(chǎn)生的同步時(shí)鐘信號(hào),SYNC接高電平使用外部同步時(shí)鐘信號(hào),外部時(shí)鐘信號(hào)引至3V8腳。 一般場(chǎng)合下只需使用片內(nèi)時(shí)鐘即可。但是,如果TPS60101的供電系統(tǒng)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(yīng)接地以降低輸出噪聲。圖3給出了外同步時(shí)鐘方式的應(yīng)用電路。 
圖3 外同步時(shí)鐘方式應(yīng)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(biāo)準(zhǔn)3.3 V輸出,接高電平為預(yù)置3.8 V輸出。在一般的應(yīng)用場(chǎng)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 3.8 V輸出,后級(jí)再外接1個(gè)低壓差穩(wěn)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(shè)計(jì) TPS60101的電路板設(shè)計(jì)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(kù)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(duì)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。 3 TPS60101在低功耗單片機(jī)系統(tǒng)中的應(yīng)用 我們?cè)谠O(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)一個(gè)低功耗單片機(jī)系統(tǒng)的過(guò)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(dòng)無(wú)線數(shù)據(jù)采集裝置。系統(tǒng)采用8051內(nèi)核的單片機(jī)作為中心控制器,擴(kuò)展了無(wú)線數(shù)據(jù)采集模塊、Compact Flash卡數(shù)據(jù)存儲(chǔ)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(dòng)性,所以系統(tǒng)供電方式采用鋰電池供電。因?yàn)橄到y(tǒng)對(duì)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(shí)際設(shè)計(jì)中將電荷泵設(shè)定于推挽模式,芯片使用片內(nèi)同步時(shí)鐘,以標(biāo)準(zhǔn)3.3 V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。 
圖4 實(shí)際系統(tǒng)中的TPS60101應(yīng)用電路
圖5 系統(tǒng)供電方式示意圖
為了進(jìn)一步降低系統(tǒng)耗電,系統(tǒng)在進(jìn)行USB數(shù)據(jù)通信時(shí),轉(zhuǎn)由USB總線供電。系統(tǒng)用一個(gè)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(jì)了自動(dòng)休眠功能以減少不必要的電池?fù)p耗。系統(tǒng)中使用了2片TPS60101的供電方式,一片用于給單片機(jī)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(shí)間未接收到外部輸入時(shí),單片機(jī)通過(guò)控制TPS60101的ENABLE來(lái)實(shí)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(shí),則從休眠態(tài)中恢復(fù)到工作狀態(tài)。實(shí)現(xiàn)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++;
……
} 參考文獻(xiàn) 1 謝自美. 電子線路設(shè)計(jì)·實(shí)驗(yàn)·測(cè)試. 武漢：華中理工大學(xué)出版社,2000
2 王幸之, 等. 單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)抗干擾技術(shù). 北京：北京航空航天大學(xué)出版社,2000
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66821730(技術(shù)支持)
