TPS60101应用于低功耗手持式设定器的电源设计方案

     随着低功耗单片机及辅助芯片应用技术的发展，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。在这些便携产品的设计中，一般均采用电池作为系统供电方式。在一些使用交流供电的系统中，也设计了后备电池供电方式。TPS60101具有微功耗、高效率、可控、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。它一般使用两节电池提供输入，1.8-3.6V均可正常工作，充分保证了单片机系统在外接锂电池、镍氢电池或碱性干电池时，在电池电量状态变化过程中得到稳定的电源供应。
    
     作者在设计一种应用于工业智能仪表的低功耗现场设定装置时，采用了TPS60101作为系统电源芯片，配合单片机设计出了具用软电源开关和自动关机功能的系统电源。
    
     TPS60101芯片简介
    
     TPS60101芯片采用20脚TSSOP贴片封装，图1是它的引脚图，具体引脚功能见表1。
    
    
    
    
     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，能够满足设计者苛刻的要求，具体特点如下：
    
     * 最大输出电流100mA，可满足绝大多数低功耗单片机系统的功耗需求；
    
     * 少于5mV的输出电压波动，提供3.3V±4%的稳压输出；
    
     * 仅需少量外围元件，无需谐振线圈等器件，自身无干扰输出，应用电路体积很小；
    
     * 电荷泵效率最高可达90％；
    
     * 能够采用外时钟同步，以便在需要考虑同步干扰的场合使用；
    
     * 宽输入电压范围，1.8-3.6V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；
    
     * 50μA的工作附加电流，0.05μA的关断漏电流，消耗电能很少，保证自身低功耗；
    
     * 具有工作/关断控制，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。
    
     TPS60101的使用方式
    
     TSP60101芯片在设计上做了许多实际考虑，允许设计者在不同的实际情况下灵活设计，如图2、图3和图4，是它的三种典型应用方案，作者将根据自己的应用体会分别予以介绍。
    
     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2个电容。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和图3给出了推挽模式和单端模式的应用电路。
    
     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。
    
     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接低电平使用片内振荡器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4给出了外同步时钟方式的应用电路。
    
     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3.3V输出，接高电平为预置3.8V输出。在一般的应用场合，均应使用第1种方式；只有在对电源性能要求非常严格的情况下，才采取第2种方式。TPS60101提供粗略的3.8V输出，后级再外接1个低压差稳压器，例如TPS7330芯片，以获得更加精确和稳定的3V输出。
    
     在实际设计应用中需要注意的是，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，同时所有的PGND和GND引脚应该以尽可能短的粗导线相连。
    
    
    
     TSP60101在低功耗现场设定装置中应用的实例
    
     作者设计的低功耗现场设定用手持装置是一种具有RS-485通讯功能的手持式设定器，支持MODBUS协议，通过RS-485现场总线对某公司生产的现场远程采集控制模块等仪表设备进行现场参数检测和设定，如设定远程终端装置的系统子站号码、通讯协议、波特率等，或者现场检测模块的各种设置参数，它作为配套设备提供给用户。
    
     如图5，系统电源设计具用软电源开关和自动关机功能。TPS60101采用推挽输出方式，为系统提供极稳定的3.3V供电。使用两节5号碱性干电池为电源系统供电，采用两只SN74AHC1G00构成一个R-S触发器做软开关及自动关机控制。
    
     当系统处于关机状态时，按下电源开/关按钮时，R-S触发器翻转，TPS60101的ENABLE获得高电平，电源工作，系统复位，进入工作状态。当再次按下电源开/关按钮时，P89LPC932的P0.1通过两只三极管电平转换后检测到低电平，进而产生中断。在中断服务程序中，系统判断出此次操作为关机操作，则控制P0.0输出高电平，通过一只三极管电平转换后触发触发器产生翻转，TPS60101的ENABLE获得低电平，电源停止工作，系统进入掉电停机状态。MCU在系统工作时对键盘输入进行定时监控，如果在5分钟内没有键盘输入，则控制P0.0输出高电平，自动关机。
    
     系统工作时，电源部分消耗的能量主要是供给TPS60101的偏置工作电流，典型约为50μA，系统掉电待机时，三只芯片的最大待机电流小于5μA，可见这是一个比较优秀的电源电路。
    
     如图6，是实际的手持设定装置的原理框图，整体系统安装在普通小型数字万用表大小的壳体内。系统MCU采用了PHILIPS公司最新的89LPC932单片机做控制核心，这只单片机是零外设的MCU，实际使用中也是采用零外设方案。为节省功耗，在满足最高38400波特通讯速度的前提下，软件设计中使用了MCU的分频寄存器DIVM对内部RC振荡器产生的7.3728MHz主频进行了8分频。同时，CLKLP置位，使CPU处于低功耗状态。显示器采用了北京青云创新科技发展有限公司生产的3V供电带背光中文点阵LCD模块，型号为LCM12832ZK，耗电仅1.2mA。RS-485芯片采用了SIPEX公司的SP3485，这是一款3V供电，低功耗的RS-485通讯芯片，兼容于75176，工作时典型功耗1.2mA，待机时最大10μA。经实测，整体系统工作最大电流小于5mA，达到了整体低功耗设计的目的。两节碱性干电池工作电压范围约为2.2V-3V，参照芯片效率曲线，效率约在60%-70%之间。设定器在一般性使用的情况下，使用优质电池可以保证数年内无需更换电池，非常方便使用者，该新型设定器投入使用后获得了用户的一致好评。
    
     结语
    
     实验及应用表明基于TSP60101设计的手持设定器电源具有功耗低、输出稳定及控制灵活的特点。本设计方法对于手持产品的电源设计及整体系统低功耗设计具有借鉴和参考价值。TPS60101芯片具有低功耗、体积小、功能强及操作灵活等特点，可以广泛应用于各种手持设备、电池供电仪表等场合。