TPS60101用于低功耗系統的電源解決方案

關鍵詞：TPS60101 電荷泵 低功耗 單片機

隨著單片機應用技術的發展，各種應用場合對單片機系統有了更加嚴格的要求，便攜式解決方案在系統設計中開始占據越來越大的比重，并越來越多地傾向于低電壓、低功耗、微型化設計。在這些設計中，一般采用鎳氫、鎳鎘或鋰電池作為系統供電方式；在一些使用交流供電的系統中，均設計了后備電池供電方式。TPS60101具有高效率、寬輸入電壓范圍、穩壓效果好、低漏電流、體積小等突出優點，可以為這些設計提供完美的電源解決方案。

1 TPS60101芯片簡介

　　TPS60101是Texas Instruments公司新推出的一種低噪聲電荷泵直流穩壓芯片，能在輸入電壓動態范圍較大時，為單片機系統提供穩定的直流供電。

1.1 封裝形式及引腳說明

　　TPS60101芯片的封裝為一種特殊的TSSOP貼片封裝，如圖1所示。

芯片各引腳功能描述如表1所列。

表1 TPS60101引腳功能

1.2 TPS60101的性能特點

　　精密的制造工藝和優良的設計使得TPS60101具有出色的電氣性能：

◇ 最大輸出電流100 mA，可滿足絕大多數低功耗單片機系統的要求；

◇ 少于5 mV的輸出電壓波動，提供3.3（10.04）V的穩壓輸出；

◇ 僅需少量外圍元件，無需諧振線圈等器件，應用電路體積很小；

◇ 電荷泵效率可達90％；

◇ 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在外接不同類型電源以及電池電量狀態變化過程中得到穩定的電源供應；

◇ 50 μA的工作附加電流，0.05 μA的關斷漏電流，消耗電能很少；

◇ 關斷模式下，穩壓電源輸出隔離，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。

2 TPS60101的使用方式

　　和一般的電源穩壓芯片相比，TPS60101的使用有一些特殊性和值得注意的地方，筆者將結合實際使用的體會加以闡述。

2.1 電荷泵工作方式選擇

　　TPS60101片內集成了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：COM接地為推挽模式，接高電平為單端模式。推挽模式中，片內的2個電荷泵的工作狀態在時域上有180的相位差，各占據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，得到最好的穩壓效果，但需要外接4個電解電容。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給出了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。

2.2 同步時鐘源選擇

　　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接低電平使用片內晶振產生的同步時鐘信號，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時鐘即可。但是，如果TPS60101的供電系統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3給出了外同步時鐘方式的應用電路。

2.3 輸出工作方式選擇

　　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；只有在電壓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個低壓差穩壓器，例如TPS7330芯片，以獲得更加精確的3.3 V輸出。

2.4 電路印制板設計

　　TPS60101的電路板設計有一些值得注意的地方：

第1，芯片引腳寬為0.30 mm，間距0.65 mm，較普通SO貼片封裝更加密集，需要自建封裝庫文件；

第2，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；

第3，所有的PGND和GND引腳應該以盡可能短的粗導線相連。

3 TPS60101在低功耗單片機系統中的應用

　　我們在設計實現一個低功耗單片機系統的過程中，使用了TPS60101芯片作為系統電源解決方案，并收到了滿意的效果。

　　這一系統是一種支持USB總線通信的移動無線數據采集裝置。系統采用8051內核的單片機作為中心控制器，擴展了無線數據采集模塊、Compact Flash卡數據存儲模塊以及USB總線收發模塊。系統嚴格要求低功耗，并具有可移動性，所以系統供電方式采用鋰電池供電。因為系統對電路體積要求不嚴，主要器件工作于異步方式，并且標稱的3.3（10.04）V的輸出電壓可以滿足需要，所以，實際設計中將電荷泵設定于推挽模式，芯片使用片內同步時鐘，以標準3.3 V方式輸出。應用電路如圖4所示。圖5為系統供電方式示意圖。

　　為了進一步降低系統耗電，系統在進行USB數據通信時，轉由USB總線供電。系統用一個判別電路判定當前是否連接到USB總線，然后根據結果選擇供電方式。另外，設計了自動休眠功能以減少不必要的電池損耗。系統中使用了2片TPS60101的供電方式，一片用于給單片機系統不間斷供電，另一片給其余模塊供電。當系統在一段時間未接收到外部輸入時，單片機通過控制TPS60101的ENABLE來實現關斷系統其它模塊電源的功能；當系統接收到外部輸入時，則從休眠態中恢復到工作狀態。實現定時休眠功能的C51程序段如下：

while(1) 　　　　　　　　　　　//程序主循環

{ …… 　　　　　　　　　　　　//空閑時間大于5 min進入休眠態

　　if ((idletime>3000)(sysmode==ON)

　　　　{idletime=0;enable=0;

　　　　　　sysmode=SLEEP;}

　　if (IsInput==TURE)　　　　　　　//有輸入則喚醒

　　　　{enable=1;sysmode=ON;}

……

}

void timer0() interrupt 1 using 1

{ 　　　　　　　　　　　　　　　//中斷間隔為100ms

　　……

　　if (sysmode==ON)

　　idletime++;

　　……

}