TPS60101應(yīng)用于低功耗手持式設(shè)定器的電源設(shè)計(jì)方案

隨著低功耗單片機(jī)及輔助芯片應(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)。在這些便攜產(chǎn)品的設(shè)計(jì)中，一般均采用電池作為系統(tǒng)供電方式。在一些使用交流供電的系統(tǒng)中，也設(shè)計(jì)了后備電池供電方式。TPS60101具有微功耗、高效率、可控、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。它一般使用兩節(jié)電池提供輸入，1.8-3.6 V均可正常工作，充分保證了單片機(jī)系統(tǒng)在外接鋰電池、鎳氫電池或堿性干電池時(shí)，在電池電量狀態(tài)變化過(guò)程中得到穩(wěn)定的電源供應(yīng)。

　　作者在設(shè)計(jì)一種應(yīng)用于工業(yè)智能儀表的低功耗現(xiàn)場(chǎng)設(shè)定裝置時(shí)，采用了TPS60101作為系統(tǒng)電源芯片，配合單片機(jī)設(shè)計(jì)出了具用軟電源開關(guān)和自動(dòng)關(guān)機(jī)功能的系統(tǒng)電源。

　　TPS60101芯片簡(jiǎn)介

　　TPS60101芯片采用20腳TSSOP貼片封裝，圖1是它的引腳圖，具體引腳功能見表1。

表1 TPS60101引腳描述

　　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，能夠滿足設(shè)計(jì)者苛刻的要求，具體特點(diǎn)如下：

• 　　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)的功耗需求；
• 　　少于5 mV的輸出電壓波動(dòng)，提供3.3V±4%的穩(wěn)壓輸出；
• 　　僅需少量外圍元件，無(wú)需諧振線圈等器件，自身無(wú)干擾輸出，應(yīng)用電路體積很??；
• 　　電荷泵效率最高可達(dá)90％；
• 　　能夠采用外時(shí)鐘同步，以便在需要考慮同步干擾的場(chǎng)合使用；
• 　　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，保證自身低功耗；
• 　　具有工作/關(guān)斷控制，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。

　　TPS60101的使用方式

　　TSP60101芯片在設(shè)計(jì)上做了許多實(shí)際考慮，允許設(shè)計(jì)者在不同的實(shí)際情況下靈活設(shè)計(jì)，如圖2、圖3和圖4，是它的三種典型應(yīng)用方案，作者將根據(jù)自己的應(yīng)用體會(huì)分別予以介紹。??

　　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2個(gè)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和圖3給出了推挽模式和單端模式的應(yīng)用電路。

　　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。

　　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)振蕩器產(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4給出了外同步時(shí)鐘方式的應(yīng)用電路。

　　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；只有在對(duì)電源性能要求非常嚴(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，以獲得更加精確和穩(wěn)定的3V輸出。

　　在實(shí)際設(shè)計(jì)應(yīng)用中需要注意的是，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，同時(shí)所有的PGND和GND引腳應(yīng)該以盡可能短的粗導(dǎo)線相連。

　　TSP60101在低功耗現(xiàn)場(chǎng)設(shè)定裝置中應(yīng)用的實(shí)例

　　作者設(shè)計(jì)的低功耗現(xiàn)場(chǎng)設(shè)定用手持裝置是一種具有RS-485通訊功能的手持式設(shè)定器，支持MODBUS協(xié)議，通過(guò)RS-485現(xiàn)場(chǎng)總線對(duì)某公司生產(chǎn)的現(xiàn)場(chǎng)遠(yuǎn)程采集控制模塊等儀表設(shè)備進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)參數(shù)檢測(cè)和設(shè)定，如設(shè)定遠(yuǎn)程終端裝置的系統(tǒng)子站號(hào)碼、通訊協(xié)議、波特率等，或者現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)模塊的各種設(shè)置參數(shù)，它作為配套設(shè)備提供給用戶。

如圖5，系統(tǒng)電源設(shè)計(jì)具用軟電源開關(guān)和自動(dòng)關(guān)機(jī)功能。TPS60101采用推挽輸出方式，為系統(tǒng)提供極穩(wěn)定的3.3V供電。使用兩節(jié)5號(hào)堿性干電池為電源系統(tǒng)供電，采用兩只SN74AHC1G00構(gòu)成一個(gè)R-S觸發(fā)器做軟開關(guān)及自動(dòng)關(guān)機(jī)控制。

　　當(dāng)系統(tǒng)處于關(guān)機(jī)狀態(tài)時(shí)，按下電源開/關(guān)按鈕時(shí)，R-S觸發(fā)器翻轉(zhuǎn)，TPS60101的ENABLE獲得高電平，電源工作，系統(tǒng)復(fù)位，進(jìn)入工作狀態(tài)。當(dāng)再次按下電源開/關(guān)按鈕時(shí)，P89LPC932的P0.1通過(guò)兩只三極管電平轉(zhuǎn)換后檢測(cè)到低電平，進(jìn)而產(chǎn)生中斷。在中斷服務(wù)程序中，系統(tǒng)判斷出此次操作為關(guān)機(jī)操作，則控制P0.0輸出高電平，通過(guò)一只三極管電平轉(zhuǎn)換后觸發(fā)觸發(fā)器產(chǎn)生翻轉(zhuǎn)，TPS60101的ENABLE獲得低電平，電源停止工作，系統(tǒng)進(jìn)入掉電停機(jī)狀態(tài)。MCU在系統(tǒng)工作時(shí)對(duì)鍵盤輸入進(jìn)行定時(shí)監(jiān)控，如果在5分鐘內(nèi)沒(méi)有鍵盤輸入，則控制P0.0輸出高電平，自動(dòng)關(guān)機(jī)。

　　系統(tǒng)工作時(shí)，電源部分消耗的能量主要是供給TPS60101的偏置工作電流，典型約為50 μA，系統(tǒng)掉電待機(jī)時(shí)，三只芯片的最大待機(jī)電流小于5 μA，可見這是一個(gè)比較優(yōu)秀的電源電路。

　　如圖6，是實(shí)際的手持設(shè)定裝置的原理框圖，整體系統(tǒng)安裝在普通小型數(shù)字萬(wàn)用表大小的殼體內(nèi)。系統(tǒng)MCU采用了PHILIPS公司最新的89LPC932單片機(jī)做控制核心，這只單片機(jī)是零外設(shè)的MCU，實(shí)際使用中也是采用零外設(shè)方案。為節(jié)省功耗，在滿足最高38400波特通訊速度的前提下，軟件設(shè)計(jì)中使用了MCU的分頻寄存器DIVM對(duì)內(nèi)部RC振蕩器產(chǎn)生的7.3728MHz主頻進(jìn)行了8分頻。同時(shí)，CLKLP置位，使CPU處于低功耗狀態(tài)。顯示器采用了北京青云創(chuàng)新科技發(fā)展有限公司生產(chǎn)的3V供電帶背光中文點(diǎn)陣LCD模塊，型號(hào)為L(zhǎng)CM12832ZK，耗電僅1.2mA。RS-485芯片采用了SIPEX公司的SP3485，這是一款3V供電，低功耗的RS-485通訊芯片，兼容于75176，工作時(shí)典型功耗1.2mA，待機(jī)時(shí)最大10 μA。經(jīng)實(shí)測(cè)，整體系統(tǒng)工作最大電流小于5mA，達(dá)到了整體低功耗設(shè)計(jì)的目的。兩節(jié)堿性干電池工作電壓范圍約為2.2V-3V，參照芯片效率曲線，效率約在60%-70%之間。設(shè)定器在一般性使用的情況下，使用優(yōu)質(zhì)電池可以保證數(shù)年內(nèi)無(wú)需更換電池，非常方便使用者，該新型設(shè)定器投入使用后獲得了用戶的一致好評(píng)。

　　結(jié)語(yǔ)

　　實(shí)驗(yàn)及應(yīng)用表明基于TSP60101設(shè)計(jì)的手持設(shè)定器電源具有功耗低、輸出穩(wěn)定及控制靈活的特點(diǎn)。本設(shè)計(jì)方法對(duì)于手持產(chǎn)品的電源設(shè)計(jì)及整體系統(tǒng)低功耗設(shè)計(jì)具有借鑒和參考價(jià)值。TPS60101芯片具有低功耗、體積小、功能強(qiáng)及操作靈活等特點(diǎn)，可以廣泛應(yīng)用于各種手持設(shè)備、電池供電儀表等場(chǎng)合。