基于PTH05010的低電壓大電流電源解決方案

對于一個實際的電子系統，電源部分是不可缺少的，也是至關重要的。因為一旦電源出了問題，很容易燒毀芯片，損失金錢且浪費時間，所以在電源的挑選上必須慎之又慎。挑選電源時不僅要關心輸入電壓、輸出電壓和電流，還要仔細考慮系統總的功耗、電源的穩定性、電源實現的效率、電源部分對負載變化的瞬態響應能力、關鍵器件對電源波動的容忍范圍以及相應的允許的電源紋波，還有散熱問題等。

現在大型FPGA等電子器件得到了日益廣泛的應用，FPGA的功耗一般比較大，工作電壓卻很低，所以電流一般比較大，特別是系統啟動時瞬時電流很大，這就對電源提出了新的要求。目前市場上的電源芯片一般工作電流都是幾個安培，10安培以上的芯片很少，而且一般電壓不會做的很低，本文將就一種低電壓大電流的電源解決方案做一簡略介紹。

表1為TI提供的Altera的StraixⅡ系列FPGA內核I/O電源參考。

從表1中可以看出，FPGA的內核及I/O工作電流都可達十幾安培甚至更高，而工作電壓一般在1.2～3.3V。分析了系統需要的具體技術指標，就可以來選擇合適的電源實現電路了。一般直流轉換電源分為線性穩壓電源和開關穩壓電源。線性穩壓電源雖然具有優良的紋波及動態響應特性，輸出紋波小，但是效率不高，其工作效率僅為30%～50%，發熱量大，需要加體積龐大的散熱片，可提供的電流相對較小，其過載能力也很差。開關穩壓電源的功耗極低，效率高，其平均工作效率可達70%～90%，發熱量小，穩壓范圍寬，但紋波大，在輸出端并接穩壓二極管可以改善，另外還會產生尖峰脈沖干擾，可在電路中串聯磁珠來改善。

本次設計要求輸入為5V直流電壓，輸出分別為1.2V和3.3V，電流均要求可達12A。由于電流較大，采用線性穩壓電源效率低，發熱量大，所以選用PTH05010開關電源模塊。雖然FPGA不要求內核電源和I/O電源之間有特殊的上電順序, 但是從系統級考慮，總線競爭就要求按順序上電。這種情況下, 內核電源的上電就應當同步或提前于 I/O。如果只有內核獲得供電, I/O沒有供電, 對芯片不會產生損害, 只是沒有輸入輸出能力而已；如果反過來, 周邊I/O得到供電而內核沒有加電，將是非常危險的。所以本設計加入了TPS3808監控電路，以確保兩種輸出電壓同時輸出，同時還具有低壓保護及系統復位的功能。

芯片簡介

PTH05010是由TI公司推出的一款5V輸入，輸出電壓可調的電源模塊，其輸出電流可達15A。該系列電源模塊的引腳兼容，使用方法也一致，便于替換。

PTH05010電源模塊主要特性包括：輸入電壓范圍4.5～5.5V，輸出電壓0.8～3.6V，開關頻率275～325kHz，最大穩壓誤差2%，最高轉換效率96% (不同電壓輸出時的效率不同，如輸出1.2V時效率為88％，輸出3.3V時效率為95％) 。

TPS3808是TI公司的一款具有低靜態電流、可編程延遲的監控電路。主要電器參數包括：輸入電壓范圍1.8～6.5V，上電復位可調整延遲時間1.25ms～10s，典型靜態電流2.4μA，高精度門限0.5％。

典型應用

PTH05010的典型應用電路如圖1所示。

圖1 PTH05010典型應用電路

從圖1中可以看出PTH05010所需的外圍器件很少，只需要三個器件即可工作，這就使得電路設計變得十分簡單。其中輸入輸出分別有一個濾波電容，其標稱值為最小推薦電容，也可再并聯其他電容來進一步改善濾波效果，電阻是用來調節輸出電壓的，其計算公式如下。

因為輸出電壓僅由這一個電阻決定，所以要想保持輸出穩定可靠，此電阻最好為高精度電阻，而且應該有較好的溫度穩定度，否則阻值隨溫度變化而變化就會造成輸出電壓不穩定，溫度穩定度最好在100ppm/℃以上。

圖1中2引腳V_IN為輸入電壓，一般為5V；3引腳Inhibit可以關閉輸出電壓，通常做懸空處理；5引腳V_{o Sense}可以與輸出電壓引腳V_OUT相連來補償電源模塊與負載間的壓降，也可做懸空處理。8引腳Track可自動跟蹤定序，輸入上電20ms后該引腳有效，該引腳可保證不同模塊在同一個驅動電壓的作用下同時輸出電壓。該引腳可使輸出電壓隨該引腳電壓變化而變化，如果該引腳電壓高于設定的輸出電壓，輸出電壓輸出設定值。9引腳Margin Down和10引腳Margin Up，這兩個引腳如果與地相連可分別使輸出電壓降低或升高5％，可用于微調輸出電壓，不用時可以懸空。

TPS3808的典型應用電路如圖2所示。

圖2 TPS3808典型應用電路

在圖2中，當TPS3808的SENSE引腳電壓低于門限電壓或MR有效時，RESET引腳輸出復位信號，CT引腳用來設定復位延遲時間，若懸空延遲時間為20ms，通過電阻連接至V_DD則延遲時間為300ms，也可通過電容接地，根據電容值的不同可將延遲時間設定為 1.25ms～10s，電容值的計算公式如下。

TPS3808G12和 TPS3808G33的門限電壓分別為1.12V和3.07V，所以當1.2V或3.3V輸入電壓分別低于1.12V或3.07V時，DSP就會收到復位信號，從而對電路進行了保護。

電路設計

圖3是完整的電源設計原理圖，系統結構十分簡單，兩片PTH05010分別輸出3.3V和1.2V直流電壓，TPS3808G50的復位引腳與兩個電源模塊的Track引腳相連，在系統上電時保證了兩個模塊能夠同時輸出電壓。由于TPS3808G50的門限電平為4.65V，所以當輸出電壓低于4.65V時，TPS3808G50也會輸出復位信號，從而實現了電路保護。同時在TPS3808G50的MR引腳接了按鍵開關，可實現人工復位。

圖3 電源設計原理圖

該電路在輸出端加了穩壓管和磁珠，用于保護電路、改善紋波及降低干擾。之所以在每個電源模塊的輸出端都串聯了兩個并行磁珠，是考慮到電流較大，多個磁珠并聯可以進行分流，此外磁珠可抑制電源線上的高頻噪聲和尖峰干擾，還具有吸收靜電脈沖的能力。Margin Down和Margin Up引腳都引到了排針上，方便進行電壓微調。用來調整輸出電壓的電阻R1和R2采用 0.1W、1％精度的電阻，其溫度穩定度不低于100ppm/℃，PCB布板時盡量靠近電源模塊放置，一定注意不要給該電阻并聯電容，否則會影響電源模塊的穩定性。

該電路經過長期使用，性能優良，穩定可靠，而電路設計簡單，十分適合需要較大工作電流的電路板電源設計。但該款電源相對于一般的線性電源價格比較昂貴，所以如果需要的電流不大，就沒必要選用該款電源。