摘要 介绍一种新颖的电荷泵直流稳压芯片TPS60101的性能特点和使用方式,结合实例分析其在低功耗单片机系统中的应用。

关键词 TPS60101 电荷泵 低功耗 单片机

　　随着单片机应用技术的发展,各种应用场合对单片机系统有了更加严格的要求,便携式解决方案在系统设计中开始占据越来越大的比重,并越来越多地倾向于低电压、低功耗、微型化设计。在这些设计中,一般采用镍氢、镍镉或锂电池作为系统供电方式;在一些使用交流供电的系统中,均设计了后备电池供电方式。TPS60101具有高效率、宽输入电压范围、稳压效果好、低漏电流、体积小等突出优点,可以为这些设计提供完美的电源解决方案。

1  TPS60101芯片简介

　　TPS60101是Texas Instruments公司新推出的一种低噪声电荷泵直流稳压芯片,能在输入电压动态范围较大时,为单片机系统提供稳定的直流供电。

1.1  封装形式及引脚说明

　　TPS60101芯片的封装为一种特殊的TSSOP贴片封装,如图1所示。

图1  TPS60101封装图

　　芯片各引脚功能描述如 表1 所列。

表1  TPS60101引脚功能

1.2  TPS60101的性能特点

　　精密的制造工艺和优良的设计使得TPS60101具有出色的电气性能：

　　◇ 最大输出电流100 mA,可满足绝大多数低功耗单片机系统的要求;
　　◇ 少于5 mV的输出电压波动,提供3.3（1±0.04）V的稳压输出;
　　◇ 仅需少量外围元件,无需谐振线圈等器件,应用电路体积很小;
　　◇ 电荷泵效率可达90％;
　　◇ 宽输入电压范围,1.8~3.6 V均可正常工作,充分保证了单片机系统在外接不同类型电源以及电池电量状态变化过程中得到稳定的电源供应;
　　◇ 50 μA的工作附加电流,0.05 μA的关断漏电流,消耗电能很少;
　　◇ 关断模式下,稳压电源输出隔离,增加电源管理的可靠性;
　　◇ 微型的TSSOP贴片封装,减小应用电路体积。这种封装形式在芯片底部集成了散热片,可直接与印制板相连,在没有增加电路体积的情况下有效提高了散热性能。

2  TPS60101的使用方式

　　和一般的电源稳压芯片相比,TPS60101的使用有一些特殊性和值得注意的地方,笔者将结合实际使用的体会加以阐述。

2.1  电荷泵工作方式选择

　　TPS60101片内集成了2个升降压电荷泵,通过改变芯片的18脚COM的外接电平可以选择电荷泵的2种工作状态：COM接地为推挽模式,接高电平为单端模式。推挽模式中,片内的2个电荷泵的工作状态在时域上有180°的相位差,各占据50％的负载周期进行推挽输出。这种方式可以在最大限度上避免输出电压的波动,得到最好的稳压效果,但需要外接4个电解电容。在单端模式中,2个电荷泵是无相位差的并行输出。这种方式仅需1个外接电容。图2给出了单端模式的应用电路。

图2  单端模式的应用电路图

　　一般来说,在对实际应用电路的体积没有严格要求的情况下,应当选择推挽模式以获得最好的工作性能。但是,由于TPS60101芯片本身体积很小,影响应用电路体积的主要因素是外接元件。若工作于单端模式,则应用电路的体积可以减少一半以上。如果在电压稳定度要求一般,但是对电路体积要求严格的情况下,也可以考虑使用单端模式。

2.2  同步时钟源选择

　　通过改变第2脚的SYNC的外接电平可以选择TPS60101的同步时钟源。SYNC接低电平使用片内晶振产生的同步时钟信号,SYNC接高电平使用外部同步时钟信号,外部时钟信号引至3V8脚。

　　一般场合下只需使用片内时钟即可。但是,如果TPS60101的供电系统工作于某一个固定频率时,采用外部时钟同步方式更加合理。需要注意的是,在使用外部时钟同步方式时,SKIP脚应接地以降低输出噪声。图3给出了外同步时钟方式的应用电路。

图3  外同步时钟方式应用电路

2.3  输出工作方式选择

　　通过改变芯片19脚3V8的外接电平可以选择芯片的输出工作方式。3V8接低电平为标准3.3 V输出,接高电平为预置3.8 V输出。在一般的应用场合,均应使用第1种方式;只有在电压要求非常严格的情况下,才采取第2种方式。TPS60101提供粗略的 3.8 V输出,后级再外接1个低压差稳压器,例如TPS7330芯片,以获得更加精确的3.3 V输出。

2.4  电路印制板设计

　　TPS60101的电路板设计有一些值得注意的地方：

　　第1,芯片引脚宽为0.30 mm,间距0.65 mm,较普通SO贴片封装更加密集,需要自建封装库文件;
　　第2,芯片底部和印制版接触处集成了一散热片,在印制板上对应的位置需要铺铜焊接,并和电源地相连;
　　第3,所有的PGND和GND引脚应该以尽可能短的粗导线相连。

3  TPS60101在低功耗单片机系统中的应用

　　我们在设计实现一个低功耗单片机系统的过程中,使用了TPS60101芯片作为系统电源解决方案,并收到了满意的效果。

　　这一系统是一种支持USB总线通信的移动无线数据采集装置。系统采用8051内核的单片机作为中心控制器,扩展了无线数据采集模块、Compact Flash卡数据存储模块以及USB总线收发模块。系统严格要求低功耗,并具有可移动性,所以系统供电方式采用锂电池供电。因为系统对电路体积要求不严,主要器件工作于异步方式,并且标称的3.3（1±0.04）V的输出电压可以满足需要,所以,实际设计中将电荷泵设定于推挽模式,芯片使用片内同步时钟,以标准3.3 V方式输出。应用电路如图4所示。图5为系统供电方式示意图。

图4  实际系统中的TPS60101应用电路

图5  系统供电方式示意图

　　为了进一步降低系统耗电,系统在进行USB数据通信时,转由USB总线供电。系统用一个判别电路判定当前是否连接到USB总线,然后根据结果选择供电方式。另外,设计了自动休眠功能以减少不必要的电池损耗。系统中使用了2片TPS60101的供电方式,一片用于给单片机系统不间断供电,另一片给其余模块供电。当系统在一段时间未接收到外部输入时,单片机通过控制TPS60101的ENABLE来实现关断系统其它模块电源的功能;当系统接收到外部输入时,则从休眠态中恢复到工作状态。实现定时休眠功能的C51程序段如下：

while(1) 　　　　　　　　　　　//程序主循环
{ …… 　　　　　　　　　　　　//空闲时间大于5 min进入休眠态
　　if ((idletime>3000)&&(sysmode==ON)
　　　　{idletime=0;enable=0;
　　　　　　sysmode=SLEEP;}
　　if (IsInput==TURE)　　　　　　　//有输入则唤醒
　　　　{enable=1;sysmode=ON;}
……
}
void timer0() interrupt 1 using 1
{ 　　　　　　　　　　　　　　　//中断间隔为100ms
　　……
　　if (sysmode==ON)
　　idletime++;
　　……
}

参考文献

1  谢自美. 电子线路设计·实验·测试. 武汉：华中理工大学出版社,2000
2  王幸之, 等. 单片机应用系统抗干扰技术. 北京：北京航空航天大学出版社,2000