TPS6014x電荷泵評估模塊使用指南

一、引言

德州儀器（TI）的TPS6014x電荷泵評估模塊（EVM）為設(shè)計師提供了評估TPS60140和TPS60141設(shè)備性能的有效工具。TPS6014x電荷泵是受調(diào)節(jié)的電壓三倍器，能從兩個鎳鎘、鎳氫或堿性電池單元產(chǎn)生5V輸出電壓。借助該EVM，設(shè)計師可以評估設(shè)備在不同條件下的性能，而且操作簡單，只需合適電壓范圍的電池組或直流電源即可。同時，EVM的電路板布局可作為參考設(shè)計，有助于減少設(shè)計師的評估時間。

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二、電壓三倍器的基本操作

工作原理

TPS6014x電荷泵作為調(diào)節(jié)電壓三倍器工作。其振蕩器以50%的占空比運行，一個振蕩周期分為兩個階段。在階段1，飛行電容被充電至最大輸入電壓(V{IN})，開關(guān)(S{1})至(S{4})閉合，兩個飛行電容(C{1F})和(C{2F})并聯(lián)充電至(V{IN})。在階段2，飛行電容與輸入電壓串聯(lián)，開關(guān)(S{5})至(S{7})閉合，輸出電容(C_{OUT})在無系統(tǒng)損耗的情況下可充電至輸入電壓的3倍，這就是電壓三倍器名稱的由來。

調(diào)節(jié)機(jī)制

TPS6014x是受調(diào)節(jié)的電荷泵，內(nèi)置控制電路來控制輸出電壓。輸出電壓通過內(nèi)部電阻分壓器進(jìn)行分壓，分壓后的電壓與內(nèi)部參考電壓比較，產(chǎn)生的控制信號控制振蕩器和開關(guān)。調(diào)節(jié)采用改進(jìn)的脈沖跳過模式，當(dāng)輸出電壓高于5V時跳過脈沖或周期，低于5V時激活開關(guān)。在高負(fù)載時，還使用額外的調(diào)節(jié)來改善電壓紋波性能，通過輸出電阻調(diào)節(jié)輸出電流，僅提供維持調(diào)節(jié)輸出電壓所需的最小電流。

三、EVM的描述

輸出性能

TPS6014x可提供5.0V的輸出電壓。對于2.0V至3.6V的輸入電壓，最大連續(xù)輸出電流為100mA；對于1.8V至2.0V的輸入電壓，最大連續(xù)輸出電流為50mA。設(shè)備可通過ENABLE引腳禁用，禁用后電源電流限制為0.1μA，并斷開輸入與輸出的連接。

檢測功能

TPS60140具有片上低電池檢測器（LBI輸入和LBO輸出），可通過外部電阻分壓器進(jìn)行編程。當(dāng)LBI引腳電壓低于1.21V ±5%時，LBO引腳輸出數(shù)字低信號；高于該范圍時，LBO引腳為高阻抗。因此，需要在LBO引腳和輸出電壓之間連接一個100kΩ至1MΩ的電阻。TPS60141則具有電源良好檢測器（PG輸出），當(dāng)輸出電壓高于5V - 10%時，PG輸出為高阻抗。

外部部件

EVM使用TPS60140并配備所有必要的外部部件以實現(xiàn)優(yōu)化操作。最少需要四個外部電荷泵電容，為優(yōu)化性能，EVM使用了六個外部電容。在輸入和輸出端，一個100nF的小陶瓷電容與較大電容并聯(lián)，以減少從傳輸階段（輸出電容充電）到充電階段（傳輸或飛行電容充電）以及反之的轉(zhuǎn)換過程中的尖峰。此外，還在LBI和LBO處添加了額外的電阻和電容。所有電容都應(yīng)使用陶瓷電容，因為其他類型電容的等效串聯(lián)電阻（ESR）過高，且在高頻下無法保持其電容值。

兼容性

TPS60140 EVM也可用于評估該系列的另一個設(shè)備TPS60141，只需更換集成電路即可。LBI電阻可以移除，但并非必需，LBO上拉電阻可作為PG上拉電阻，LBO焊盤提供PG信號。

四、EVM的物理數(shù)據(jù)

原理圖

EVM的原理圖中僅使用陶瓷電容。電容C5和C6是旁路電容，用于過濾傳輸和充電階段轉(zhuǎn)換時的尖峰。表2 - 1列出了TPS60140 EVM的物料清單，其中R1/R2用于調(diào)整LBI輸入的輸入電壓以進(jìn)行低電池檢測，推薦這兩個電阻的總和在100kΩ至1MΩ之間。C7作為LBI輸入電壓的濾波電容，可防止LBO引腳因輸入噪聲而產(chǎn)生振蕩。LBO輸出是開漏輸出，需要一個100kΩ至1MΩ的外部上拉電阻R3。如果應(yīng)用不需要低電池檢測，這四個部件可以省略。電路板上有兩個六針連接器用于電壓的輸入和輸出，還有一個三針連接器用于連接設(shè)備的ENABLE引腳。

布局

EVM的組件和所有信號都僅放置在印刷電路板的頂層，底層是連接到GND的實心平面（僅被一些過孔打斷），以提供最佳性能。設(shè)備底部有PowerPAD，在EVM上未焊接，便于更換集成電路。在EVM上，PowerPAD下方是一個連接到GND的開放銅板，只要設(shè)備不在極端條件下運行（如高溫或持續(xù)最大連續(xù)輸出電流），這種熱連接就足夠了，但建議在可能的情況下焊接PowerPAD。EVM上IC和所有外部部件所需的空間約為(15mm×25mm = 375mm^{2})，該EVM并非為節(jié)省空間而設(shè)計，電容的焊盤可以縮小，并且可以更靠近IC放置。

安裝設(shè)置

為確保EVM正常運行，需遵循以下步驟：

1. 確保ENABLE（EN）輸入正確跳線或連接到外部源。
2. 在輸出端（GND和Out之間）連接負(fù)載，對于2V ≤ (V{IN}) ≤ 3.6V，負(fù)載電阻應(yīng)大于50Ω，電流范圍為0mA至100mA；對于1.8V ≤ (V{IN}) < 2V，負(fù)載電阻應(yīng)大于100Ω，電流范圍為0mA至50mA。
3. 在輸入（In）和地（GND）之間連接合適電壓的直流電源（或電池組），輸入電壓范圍為1.8V ≤ (V_{IN}) ≤ 3.6V。

五、組件選擇

低電池檢測電阻選擇

EVM上低電池檢測器（LBI）的電阻分壓器連接在輸入電壓(V{IN})和GND之間，默認(rèn)閾值設(shè)置為2V。可以使用以下公式計算低電池檢測的電阻分壓器： [R{2}=(R{1}+R{2}) × frac{V{trip }}{V{IN }}] [R{1}=(R{1}+R{2}) - R{2}] 同時，為消除LBO輸出因線路或負(fù)載瞬變而產(chǎn)生的切換，在電阻R2上并聯(lián)一個100nF的電容。表3 - 1給出了電阻分壓器的推薦值，這些電阻來自E96系列，公差為1%，電阻總和約為1MΩ。

電容選擇

為獲得最大輸出電流和最佳性能，建議使用EVM上的電容。對于較低電流或允許較高輸出電壓紋波的情況，可以使用較小的陶瓷電容，具體選擇可參考表3 - 2。所有電容都應(yīng)使用X7R或X5R材料的陶瓷電容，使用其他類型的電容，尤其是在輸出端，會增加輸出電壓紋波。

你在設(shè)計中是否遇到過類似電荷泵電路的布局和組件選擇問題呢？歡迎在評論區(qū)分享你的經(jīng)驗和見解。