電源轉換芯片TPS5430的特點及應用

　　內容摘要：TPS5430是TI （美國德州儀器公司） 最新推出的一款DC/DC開關電源轉換芯片。其優越的性能使得它剛剛上市就受到廣泛關注。本文描述了該芯片的特征、參數、功能、結構， 并結合實踐情況對其在地震前兆觀測儀器中的應用進行了介紹。

　　一、引 言

　　地震前兆觀測儀器是地震前兆觀測的重要組成部分。只有儀器穩定、工作可靠， 才能為地震前兆分析工作提供連續的原始數據。不斷的挖掘和采用高性能的元器件替換相對性能低的、舊的元器件是改善儀器性能的一條途徑。

　　TPS5430是TI公司最新推出的一款性能優越的DC /DC開關電源轉換芯片。我們對其進行了開發， 并將其應用到了TJ – 2型體積式應變儀的數據采集系統。

　　二、TPS5430簡介

　　1.TPS5430特性

　　TPS5430具有良好的特性， 其各項性能及主要參數如下：

　　高電流輸出：3A （峰值4A）;

　　寬電壓輸入范圍：5.5~36V;

　　高轉換效率：最佳狀況可達95%;

　　寬電壓輸出范圍：最低可以調整降到1.221V;

　　內部補償最小化了外部器件數量;

　　固定500kHz轉換速率;

　　有過流保護及熱關斷功能;

　　具有開關使能腳， 關狀態僅有17uA靜止電流;

　　內部軟啟動與其他同類型直流開關電源轉換芯片相比， TPS5430的高轉換效率特別值得關注。

　　圖1為在12V輸入電壓、5V輸出電壓時TPS5430轉換效率與輸出電流的關系曲線圖。

　　圖1　TPS5430芯片的效率- 電流關系曲線圖

　　2.功能和結構

　　（1） 管腳說明：

　　TPS5430采取8腳SO IC PowerPADTM封裝， 形式如圖2。

　　圖2　TPS5430封裝

　　（2） 內部結構及功能：

　　①晶振（Oscillator） 頻率。

　　固定500kHz轉換速率， 使得在同樣的輸出波紋要求下產生更小的輸出電感。

　　②基準（Reference） 電壓。

　　通過縮放溫度穩定能隙帶電路的輸出范圍， 基準電壓系統產生精確的基準信號。經測試， 在允許的溫度范圍內， 1.221V電壓輸出時能隙帶和縮放電路保持平衡。

　　③ ENA （使能腳） 和（ Slow Start） 內部軟啟動。

　　當ENA腳上的電壓超過極限電壓時轉換器和內部的軟啟動開始工作， 低于極限電壓，轉換器停止工作軟啟動開始復位。ENA腳接地或電壓小于015V時轉換器停止工作。ENA腳可以懸空。

　　④ UVLO （欠壓鎖定） 。

　　TPS5430帶有UVLO電路。無論在上電或掉電過程中， 只要V IN （輸入電壓） 低于極限電壓， 轉換芯片不工作。UVLO比較器的典型遲滯值為330mV.

　　⑤ Boost CaPACitor （啟動電容） 。

　　在BOOT腳和PH腳間連接0.01μF的陶瓷電容， 為MOSFET的高端提供門電壓。

　　⑥ VSENSE （外部反饋） and Internal Compensation （內部補償） 。

　　輸出電壓通過外部電阻分壓被反饋到VSENSE腳。在穩定狀態下， VSENSE腳的電壓等于電壓參考值1.221V.TPS5430擁有內部補償電路， 簡化了芯片設計。

　　⑦ Voltage Feed Forward （電壓正反饋） 。

　　內部的電壓正反饋保證了無論輸入電壓如何變化電源芯片都有一個恒定的增益。這大大簡化了穩定性分析， 改進了瞬態響應。TPS5430的正反饋增益典型值為25.

　　⑧ Pulse – W idth – Modulation Control （脈寬控制） 。

　　轉換器采取固定頻率控制方式。

　　⑨ Overcurrent Protection （過流保護） 。

　　過流保護電路使得電流超過極限值時， 內部的過流指示器設置為真， 過流保護被觸發。

　　⑩ Thermal Shutdown （熱關斷） 。

　　接點溫度超過了溫度關斷點， 電壓參數被置為地， 高端MOSFET關斷。受軟啟動電路的控制， 當接點溫度降到比溫度關斷點低14℃時， 芯片重新啟動。

　　三、TPS5430在地震前兆觀測數據采集系統中的應用

　　數據采集系統是地震前兆觀測儀器的重要組成部分， 它將傳感器探測到的微弱模擬信號轉換成數字信號， 并運算， 為后續的地震分析提供可靠數據。

　　最初， 我們曾采用MAX1626等芯片電源為TJ – 2型體積式應變儀數據采集系統供電，但在測試中我們發現系統工作不穩定， 儀器會出現自動重啟現象。究其原因， 發現是MAX1626等芯片電源帶負載能力不足夠大造成的。因此， 經過多方考察， 我們最終選用帶負載能力強、效率高、外圍器件少的TPS5430芯片作電源， 為數據采集系統的A /D轉換模塊和數據處理模塊供電， 原理如圖3。

　　圖3 數據采集系統原理圖。

　　1.電路設計

　　在對TJ – 2型體積式應變儀數據采集系統的供電電源設計過程中， 首先要根據工作要求確定設計參數， 然后根據參數設計電路和選擇外圍元器件。

　　（1） 設計參數要求

　　輸入電壓范圍： 10.8~19.8V;輸出電壓： 5V;輸入波紋電壓： 300mV;輸出波紋電壓： 30mV;輸出額定電流： 3A.

　　（2） 應用電路

　　本系統電源設計選用TPS5430的經典電路， 如圖4。

　　圖4 1018~1918V輸入轉5V輸出電壓應用電路圖

　　（3） 元件的選擇

　　①輸入電容。

　　TPS5430需要一個稍大些的退耦電容。這里推薦10μF （C 1） 的高性能陶瓷電容。也可以選擇小一點的電容， 但要滿足輸入電壓和額定電流波紋要求。

　　②輸出濾波器件。

　　輸出濾波器件， 即L 1、C 2.TPS5430具有內部補償電路。輸出電感與最大輸出電流有關， 這里選擇15μH電感。

　　輸出電容是影響額定電壓、額定波紋電流和等價阻抗（ ESR） 的重要設計因素。此應用中選擇220μF輸出電容， 此時電路中產生的RMS波紋電流為143mA， 需要最大的ESR為40MΩ。

　　③輸出電壓設置。

　　輸出電壓由VSENSE腳的電阻（R 1、R 2 ） 決定。如果輸出電壓5.0V， 參考電壓1.221V， R1為10kΩ， 則確定R2為3.24kΩ。

　　④ BOOT （啟動） 電容。

　　BOOT電容C 2選擇0.01μF.

　　⑤捕獲二極管。

　　TPS5430需要外部捕獲二極管， 選擇B340A， 它的反向電壓為40V， 正向電流3A， 正向電壓0.5V.

　　2.電路板設計

　　TI公司推薦了TPS5430的10.8~19.8V輸入轉5V輸出電壓電路板布線和元器件放置方式圖， 如圖5。

　　TPS5430的電路板設計過程中要遵循一般電源轉換芯片電路的設計原則， 以達到預期效果。另外還有兩點需要注意：

　　① PowerPAD要求與地相連， 可在芯片正下方放置焊盤， 并打過孔， 以方便正確馬愛虹等： 電源轉換芯片TPS5430及其應用焊接。

　　②對ENA腳沒有特殊要求時可懸空， 也可預留出信號過孔。

　　圖5 電路板設計圖

　　四、結 語。

　　目前， 利用TPS5430電源供電的TJ22型體積式應變儀的數據采集儀器已經在內蒙古、云南等很多地震臺站中得到實際應用。經過驗證電源工作狀況良好， 各項性能均能滿足工作要求， 可推廣到其他硬件設計中。