TPS60101應用于低功耗手持式設定器的電源設計方案

隨著低功耗單片機及輔助芯片應用技術的發(fā)展，各種應用場合對單片機系統(tǒng)有了更加嚴格的要求，便攜式解決方案在系統(tǒng)設計中開始占據(jù)越來越大的比重，并越來越多地傾向于低電壓、低功耗、微型化設計。在這些便攜產(chǎn)品的設計中，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，也設計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，可以為這些設計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，充分保證了單片機系統(tǒng)在外接鋰電池、鎳氫電池或堿性干電池時，在電池電量狀態(tài)變化過程中得到穩(wěn)定的電源供應。

　　作者在設計一種應用于工業(yè)智能儀表的低功耗現(xiàn)場設定裝置時，采用了TPS60101作為系統(tǒng)電源芯片，配合單片機設計出了具用軟電源開關和自動關機功能的系統(tǒng)電源。

　　TPS60101芯片簡介

　　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)良的設計使得TPS60101具有出色的電氣性能，能夠滿足設計者苛刻的要求，具體特點如下：

• 　　最大輸出電流100 mA，可滿足絕大多數(shù)低功耗單片機系統(tǒng)的功耗需求；
• 　　少于5 mV的輸出電壓波動，提供3.3V±4%的穩(wěn)壓輸出；
• 　　僅需少量外圍元件，無需諧振線圈等器件，自身無干擾輸出，應用電路體積很小；
• 　　電荷泵效率最高可達90％；
• 　　能夠采用外時鐘同步，以便在需要考慮同步干擾的場合使用；
• 　　寬輸入電壓范圍，1.8-3.6 V均可正常工作，充分保證了單片機系統(tǒng)在外接不同類型電源以及電池電量狀態(tài)變化過程中得到穩(wěn)定的電源供應；
• 　　50 μA的工作附加電流，0.05 μA的關斷漏電流，消耗電能很少，保證自身低功耗；
• 　　具有工作/關斷控制，關斷模式下，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芯片在設計上做了許多實際考慮，允許設計者在不同的實際情況下靈活設計，如圖2、圖3和圖4，是它的三種典型應用方案，作者將根據(jù)自己的應用體會分別予以介紹。??

　　TPS60101片內(nèi)集成了2個升降壓電荷泵，通過改變芯片的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個電荷泵的工作狀態(tài)在時域上有180°的相位差，各占據(jù)50％的負載周期進行推挽輸出。這種方式可以在最大限度上避免輸出電壓的波動，得到最好的穩(wěn)壓效果，但需要外接2個電容。在單端模式中，2個電荷泵是無相位差的并行輸出。這種方式僅需1個外接電容。圖2和圖3給出了推挽模式和單端模式的應用電路。

　　一般來說，在對實際應用電路的體積沒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(wěn)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。

　　通過改變第2腳的SYNC的外接電平可以選擇TPS60101的同步時鐘源。SYNC接低電平使用片內(nèi)振蕩器產(chǎn)生的同步時鐘信號，SYNC接高電平使用外部同步時鐘信號，外部時鐘信號引至3V8腳。一般場合下只需使用片內(nèi)時鐘即可。但是，如果TPS60101的供電系統(tǒng)工作于某一個固定頻率時，采用外部時鐘同步方式更加合理。需要注意的是，在使用外部時鐘同步方式時，SKIP腳應接地以降低輸出噪聲。圖4給出了外同步時鐘方式的應用電路。

　　通過改變芯片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。在一般的應用場合，均應使用第1種方式；只有在對電源性能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。

　　在實際設計應用中需要注意的是，芯片底部和印制版接觸處集成了一散熱片，在印制板上對應的位置需要鋪銅焊接，并和電源地相連，同時所有的PGND和GND引腳應該以盡可能短的粗導線相連。

　　TSP60101在低功耗現(xiàn)場設定裝置中應用的實例

　　作者設計的低功耗現(xiàn)場設定用手持裝置是一種具有RS-485通訊功能的手持式設定器，支持MODBUS協(xié)議，通過RS-485現(xiàn)場總線對某公司生產(chǎn)的現(xiàn)場遠程采集控制模塊等儀表設備進行現(xiàn)場參數(shù)檢測和設定，如設定遠程終端裝置的系統(tǒng)子站號碼、通訊協(xié)議、波特率等，或者現(xiàn)場檢測模塊的各種設置參數(shù)，它作為配套設備提供給用戶。

如圖5，系統(tǒng)電源設計具用軟電源開關和自動關機功能。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號堿性干電池為電源系統(tǒng)供電，采用兩只SN74AHC1G00構(gòu)成一個R-S觸發(fā)器做軟開關及自動關機控制。

　　當系統(tǒng)處于關機狀態(tài)時，按下電源開/關按鈕時，R-S觸發(fā)器翻轉(zhuǎn)，TPS60101的ENABLE獲得高電平，電源工作，系統(tǒng)復位，進入工作狀態(tài)。當再次按下電源開/關按鈕時，P89LPC932的P0.1通過兩只三極管電平轉(zhuǎn)換后檢測到低電平，進而產(chǎn)生中斷。在中斷服務程序中，系統(tǒng)判斷出此次操作為關機操作，則控制P0.0輸出高電平，通過一只三極管電平轉(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)進入掉電停機狀態(tài)。MCU在系統(tǒng)工作時對鍵盤輸入進行定時監(jiān)控，如果在5分鐘內(nèi)沒有鍵盤輸入，則控制P0.0輸出高電平，自動關機。

　　系統(tǒng)工作時，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)掉電待機時，三只芯片的最大待機電流小于5 μA，可見這是一個比較優(yōu)秀的電源電路。

　　如圖6，是實際的手持設定裝置的原理框圖，整體系統(tǒng)安裝在普通小型數(shù)字萬用表大小的殼體內(nèi)。系統(tǒng)MCU采用了PHILIPS公司最新的89LPC932單片機做控制核心，這只單片機是零外設的MCU，實際使用中也是采用零外設方案。為節(jié)省功耗，在滿足最高38400波特通訊速度的前提下，軟件設計中使用了MCU的分頻寄存器DIVM對內(nèi)部RC振蕩器產(chǎn)生的7.3728MHz主頻進行了8分頻。同時，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供電帶背光中文點陣LCD模塊，型號為LCM12832ZK，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，工作時典型功耗1.2mA，待機時最大10 μA。經(jīng)實測，整體系統(tǒng)工作最大電流小于5mA，達到了整體低功耗設計的目的。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)無需更換電池，非常方便使用者，該新型設定器投入使用后獲得了用戶的一致好評。

　　結(jié)語

　　實驗及應用表明基于TSP60101設計的手持設定器電源具有功耗低、輸出穩(wěn)定及控制靈活的特點。本設計方法對于手持產(chǎn)品的電源設計及整體系統(tǒng)低功耗設計具有借鑒和參考價值。TPS60101芯片具有低功耗、體積小、功能強及操作靈活等特點，可以廣泛應用于各種手持設備、電池供電儀表等場合。