隨著單片機(jī)應(yīng)用技術(shù)的發(fā)展，各種應(yīng)用場合對單片機(jī)系統(tǒng)有了更加嚴(yán)格的要求，便攜式解決方案在系統(tǒng)設(shè)計中開始占據(jù)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(shè)計。在這些設(shè)計中，一般采用鎳氫、鎳鎘或鋰電池作為系統(tǒng)供電方式;在一些使用交流供電的系統(tǒng)中，均設(shè)計了后備電池供電方式。TPS60101具有高效率、寬輸入電壓范圍、穩(wěn)壓效果好、低漏電流、體積小等突出優(yōu)點，可以為這些設(shè)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(wěn)壓芯片，能在輸入電壓動態(tài)范圍較大時，為單片機(jī)系統(tǒng)提供穩(wěn)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。
圖1 TPS60101封裝圖
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(yōu)良的設(shè)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(shù)低功耗單片機(jī)系統(tǒng)的要求;
◇ 少于5 mV的輸出電壓波動，提供3.3（1±0.04）V的穩(wěn)壓輸出;
◇ 僅需少量外圍元件，無需諧振線圈等器件，應(yīng)用電路體積很小;
◇ 電荷泵效率可達(dá)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(jī)系統(tǒng)在外接不同類型電源以及電池電量狀態(tài)變化過程中得到穩(wěn)定的電源供應(yīng);
◇ 50 μA的工作附加電流，0.05 μA的關(guān)斷漏電流，消耗電能很少;
◇ 關(guān)斷模式下，穩(wěn)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(yīng)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(wěn)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(jié)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(nèi)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(tài)：COM接地為推挽模式，接高電平為單端模式。推挽模式中，片內(nèi)的2個電荷泵的工作狀態(tài)在時域上有180°的相位差，各占據(jù)50％的負(fù)載周期進(jìn)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(wěn)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(yīng)用電路。
圖2 單端模式的應(yīng)用電路圖
一般來說，在對實際應(yīng)用電路的體積沒有嚴(yán)格要求的情況下，應(yīng)當(dāng)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(yīng)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(yīng)用電路的體積可以減少一半以上。如果在電壓穩(wěn)定度要求一般，但是對電路體積要求嚴(yán)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(nèi)晶振產(chǎn)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(nèi)時鐘即可。但是，如果TPS60101的供電系統(tǒng)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(yīng)接地以降低輸出噪聲。圖3給出了外同步時鐘方式的應(yīng)用電路。
圖3 外同步時鐘方式應(yīng)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(biāo)準(zhǔn)3.3 V輸出，接高電平為預(yù)置3.8 V輸出。在一般的應(yīng)用場合，均應(yīng)使用第1種方式;只有在電壓要求非常嚴(yán)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(wěn)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(shè)計
TPS60101的電路板設(shè)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(yīng)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(yīng)該以盡可能短的粗導(dǎo)線相連。
3 TPS60101在低功耗單片機(jī)系統(tǒng)中的應(yīng)用
我們在設(shè)計實現(xiàn)一個低功耗單片機(jī)系統(tǒng)的過程中，使用了TPS60101芯片作為系統(tǒng)電源解決方案，并收到了滿意的效果。
這一系統(tǒng)是一種支持USB總線通信的移動無線數(shù)據(jù)采集裝置。系統(tǒng)采用8051內(nèi)核的單片機(jī)作為中心控制器，擴(kuò)展了無線數(shù)據(jù)采集模塊、Compact Flash卡數(shù)據(jù)存儲模塊以及USB總線收發(fā)模塊。系統(tǒng)嚴(yán)格要求低功耗，并具有可移動性，所以系統(tǒng)供電方式采用鋰電池供電。因為系統(tǒng)對電路體積要求不嚴(yán)，主要器件工作于異步方式，并且標(biāo)稱的3.3（1±0.04）V的輸出電壓可以滿足需要，所以，實際設(shè)計中將電荷泵設(shè)定于推挽模式，芯片使用片內(nèi)同步時鐘，以標(biāo)準(zhǔn)3.3 V方式輸出。應(yīng)用電路如圖4所示。圖5為系統(tǒng)供電方式示意圖。
圖4 實際系統(tǒng)中的TPS60101應(yīng)用電路
圖5 系統(tǒng)供電方式示意圖
為了進(jìn)一步降低系統(tǒng)耗電，系統(tǒng)在進(jìn)行USB數(shù)據(jù)通信時，轉(zhuǎn)由USB總線供電。系統(tǒng)用一個判別電路判定當(dāng)前是否連接到USB總線，然后根據(jù)結(jié)果選擇供電方式。另外，設(shè)計了自動休眠功能以減少不必要的電池?fù)p耗。系統(tǒng)中使用了2片TPS60101的供電方式，一片用于給單片機(jī)系統(tǒng)不間斷供電，另一片給其余模塊供電。當(dāng)系統(tǒng)在一段時間未接收到外部輸入時，單片機(jī)通過控制TPS60101的ENABLE來實現(xiàn)關(guān)斷系統(tǒng)其它模塊電源的功能;當(dāng)系統(tǒng)接收到外部輸入時，則從休眠態(tài)中恢復(fù)到工作狀態(tài)。實現(xiàn)定時休眠功能的C51程序段如下：
參考文獻(xiàn)
1 謝自美。 電子線路設(shè)計·實驗·測試。 武漢：華中理工大學(xué)出版社，2000
2 王幸之， 等。 單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)抗干擾技術(shù)。 北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2000