TPS60101應用于低功耗手持式設定器的電源設計方案

隨著低功耗單片機及輔助芯片應用技術的發展，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。在這些便攜產品的設計中，一般均采用電池作為系統供電方式。在一些使用交流供電的系統中，也設計了后備電池供電方式。TPS60101具有微功耗、高效率、可控、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。它一般使用兩節電池提供輸入，1.8-3.6 V均可正常工作，充分保證了單片機系統在外接鋰電池、鎳氫電池或堿性干電池時，在電池電量狀態變化過程中得到穩定的電源供應。

　　作者在設計一種應用于工業智能儀表的低功耗現場設定裝置時，采用了TPS60101作為系統電源芯片，配合單片機設計出了具用軟電源開關和自動關機功能的系統電源。

　　TPS60101芯片簡介

　　TPS60101芯片采用20腳TSSOP貼片封裝，圖1是它的引腳圖，具體引腳功能見表1。

表1 TPS60101引腳描述

　　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，能夠滿足設計者苛刻的要求，具體特點如下：

• 　　最大輸出電流100 mA，可滿足絕大多數低功耗單片機系統的功耗需求；
• 　　少于5 mV的輸出電壓波動，提供3.3V±4%的穩壓輸出；
• 　　僅需少量外圍元件，無需諧振線圈等器件，自身無干擾輸出，應用電路體積很小；
• 　　電荷泵效率最高可達90％；
• 　　能夠采用外時鐘同步，以便在需要考慮同步干擾的場合使用；
• 　　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，保證自身低功耗；
• 　　具有工作/關斷控制，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。

　　TPS60101的使用方式

　　TSP60101芯片在設計上做了許多實際考慮，允許設計者在不同的實際情況下靈活設計，如圖2、圖3和圖4，是它的三種典型應用方案，作者將根據自己的應用體會分別予以介紹。??

　　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2個電容。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和圖3給出了推挽模式和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。

　　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接低電平使用片內振蕩器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4給出了外同步時鐘方式的應用電路。

　　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；只有在對電源性能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，以獲得更加精確和穩定的3V輸出。

　　在實際設計應用中需要注意的是，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，同時所有的PGND和GND引腳應該以盡可能短的粗導線相連。

　　TSP60101在低功耗現場設定裝置中應用的實例

　　作者設計的低功耗現場設定用手持裝置是一種具有RS-485通訊功能的手持式設定器，支持MODBUS協議，通過RS-485現場總線對某公司生產的現場遠程采集控制模塊等儀表設備進行現場參數檢測和設定，如設定遠程終端裝置的系統子站號碼、通訊協議、波特率等，或者現場檢測模塊的各種設置參數，它作為配套設備提供給用戶。

如圖5，系統電源設計具用軟電源開關和自動關機功能。TPS60101采用推挽輸出方式，為系統提供極穩定的3.3V供電。使用兩節5號堿性干電池為電源系統供電，采用兩只SN74AHC1G00構成一個R-S觸發器做軟開關及自動關機控制。

　　當系統處于關機狀態時，按下電源開/關按鈕時，R-S觸發器翻轉，TPS60101的ENABLE獲得高電平，電源工作，系統復位，進入工作狀態。當再次按下電源開/關按鈕時，P89LPC932的P0.1通過兩只三極管電平轉換后檢測到低電平，進而產生中斷。在中斷服務程序中，系統判斷出此次操作為關機操作，則控制P0.0輸出高電平，通過一只三極管電平轉換后觸發觸發器產生翻轉，TPS60101的ENABLE獲得低電平，電源停止工作，系統進入掉電停機狀態。MCU在系統工作時對鍵盤輸入進行定時監控，如果在5分鐘內沒有鍵盤輸入，則控制P0.0輸出高電平，自動關機。

　　系統工作時，電源部分消耗的能量主要是供給TPS60101的偏置工作電流，典型約為50 μA，系統掉電待機時，三只芯片的最大待機電流小于5 μA，可見這是一個比較優秀的電源電路。

　　如圖6，是實際的手持設定裝置的原理框圖，整體系統安裝在普通小型數字萬用表大小的殼體內。系統MCU采用了PHILIPS公司最新的89LPC932單片機做控制核心，這只單片機是零外設的MCU，實際使用中也是采用零外設方案。為節省功耗，在滿足最高38400波特通訊速度的前提下，軟件設計中使用了MCU的分頻寄存器DIVM對內部RC振蕩器產生的7.3728MHz主頻進行了8分頻。同時，CLKLP置位，使CPU處于低功耗狀態。顯示器采用了北京青云創新科技發展有限公司生產的3V供電帶背光中文點陣LCD模塊，型號為LCM12832ZK，耗電僅1.2mA。RS-485芯片采用了SIPEX公司的SP3485，這是一款3V供電，低功耗的RS-485通訊芯片，兼容于75176，工作時典型功耗1.2mA，待機時最大10 μA。經實測，整體系統工作最大電流小于5mA，達到了整體低功耗設計的目的。兩節堿性干電池工作電壓范圍約為2.2V-3V，參照芯片效率曲線，效率約在60%-70%之間。設定器在一般性使用的情況下，使用優質電池可以保證數年內無需更換電池，非常方便使用者，該新型設定器投入使用后獲得了用戶的一致好評。

　　結語

　　實驗及應用表明基于TSP60101設計的手持設定器電源具有功耗低、輸出穩定及控制靈活的特點。本設計方法對于手持產品的電源設計及整體系統低功耗設計具有借鑒和參考價值。TPS60101芯片具有低功耗、體積小、功能強及操作靈活等特點，可以廣泛應用于各種手持設備、電池供電儀表等場合。