電源轉(zhuǎn)換芯片TPS5430的特點及應用

　　內(nèi)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(guān)電源轉(zhuǎn)換芯片。其優(yōu)越的性能使得它剛剛上市就受到廣泛關(guān)注。本文描述了該芯片的特征、參數(shù)、功能、結(jié)構(gòu)， 并結(jié)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(wěn)定、工作可靠， 才能為地震前兆分析工作提供連續(xù)的原始數(shù)據(jù)。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(yōu)越的DC /DC開關(guān)電源轉(zhuǎn)換芯片。我們對其進行了開發(fā)， 并將其應用到了TJ – 2型體積式應變儀的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。

　　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(shù)如下：

　　高電流輸出：3A （峰值4A）;

　　寬電壓輸入范圍：5.5~36V;

　　高轉(zhuǎn)換效率：最佳狀況可達95%;

　　寬電壓輸出范圍：最低可以調(diào)整降到1.221V;

　　內(nèi)部補償最小化了外部器件數(shù)量;

　　固定500kHz轉(zhuǎn)換速率;

　　有過流保護及熱關(guān)斷功能;

　　具有開關(guān)使能腳， 關(guān)狀態(tài)僅有17uA靜止電流;

　　內(nèi)部軟啟動與其他同類型直流開關(guān)電源轉(zhuǎn)換芯片相比， TPS5430的高轉(zhuǎn)換效率特別值得關(guān)注。

　　圖1為在12V輸入電壓、5V輸出電壓時TPS5430轉(zhuǎn)換效率與輸出電流的關(guān)系曲線圖。

　　圖1　TPS5430芯片的效率- 電流關(guān)系曲線圖

　　2.功能和結(jié)構(gòu)

　?。?） 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(nèi)部結(jié)構(gòu)及功能：

　?、倬д瘢∣scillator） 頻率。

　　固定500kHz轉(zhuǎn)換速率， 使得在同樣的輸出波紋要求下產(chǎn)生更小的輸出電感。

　?、诨鶞剩≧eference） 電壓。

　　通過縮放溫度穩(wěn)定能隙帶電路的輸出范圍， 基準電壓系統(tǒng)產(chǎn)生精確的基準信號。經(jīng)測試， 在允許的溫度范圍內(nèi)， 1.221V電壓輸出時能隙帶和縮放電路保持平衡。

　?、?ENA （使能腳） 和（ Slow Start） 內(nèi)部軟啟動。

　　當ENA腳上的電壓超過極限電壓時轉(zhuǎn)換器和內(nèi)部的軟啟動開始工作， 低于極限電壓，轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換器停止工作。ENA腳可以懸空。

　?、?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(zhuǎn)換芯片不工作。UVLO比較器的典型遲滯值為330mV.

　?、?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。

　?、?VSENSE （外部反饋） and Internal Compensation （內(nèi)部補償） 。

　　輸出電壓通過外部電阻分壓被反饋到VSENSE腳。在穩(wěn)定狀態(tài)下， VSENSE腳的電壓等于電壓參考值1.221V.TPS5430擁有內(nèi)部補償電路， 簡化了芯片設(shè)計。

　?、?Voltage Feed Forward （電壓正反饋） 。

　　內(nèi)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(wěn)定性分析， 改進了瞬態(tài)響應。TPS5430的正反饋增益典型值為25.

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

　　轉(zhuǎn)換器采取固定頻率控制方式。

　?、?Overcurrent Protection （過流保護） 。

　　過流保護電路使得電流超過極限值時， 內(nèi)部的過流指示器設(shè)置為真， 過流保護被觸發(fā)。

　?、?Thermal Shutdown （熱關(guān)斷） 。

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

　　三、TPS5430在地震前兆觀測數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中的應用

　　數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)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(zhuǎn)換成數(shù)字信號， 并運算， 為后續(xù)的地震分析提供可靠數(shù)據(jù)。

　　最初， 我們曾采用MAX1626等芯片電源為TJ – 2型體積式應變儀數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)供電，但在測試中我們發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)工作不穩(wěn)定， 儀器會出現(xiàn)自動重啟現(xiàn)象。究其原因， 發(fā)現(xiàn)是MAX1626等芯片電源帶負載能力不足夠大造成的。因此， 經(jīng)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(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的A /D轉(zhuǎn)換模塊和數(shù)據(jù)處理模塊供電， 原理如圖3。

　　圖3 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)原理圖。

　　1.電路設(shè)計

　　在對TJ – 2型體積式應變儀數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的供電電源設(shè)計過程中， 首先要根據(jù)工作要求確定設(shè)計參數(shù)， 然后根據(jù)參數(shù)設(shè)計電路和選擇外圍元器件。

　?。?） 設(shè)計參數(shù)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(tǒng)電源設(shè)計選用TPS5430的經(jīng)典電路， 如圖4。

　　圖4 1018~1918V輸入轉(zhuǎn)5V輸出電壓應用電路圖

　?。?） 元件的選擇

　?、佥斎腚娙?。

　　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。

　?、谳敵鰹V波器件。

　　輸出濾波器件， 即L 1、C 2.TPS5430具有內(nèi)部補償電路。輸出電感與最大輸出電流有關(guān)， 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(shè)計因素。此應用中選擇220μF輸出電容， 此時電路中產(chǎn)生的RMS波紋電流為143mA， 需要最大的ESR為40MΩ。

　?、圯敵鲭妷涸O(shè)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.

　?、莶东@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(shè)計

　　TI公司推薦了TPS5430的10.8~19.8V輸入轉(zhuǎn)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(shè)計過程中要遵循一般電源轉(zhuǎn)換芯片電路的設(shè)計原則， 以達到預期效果。另外還有兩點需要注意：

　?、?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(zhuǎn)換芯片TPS5430及其應用焊接。

　?、趯NA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(shè)計圖

　　四、結(jié) 語。

　　目前， 利用TPS5430電源供電的TJ22型體積式應變儀的數(shù)據(jù)采集儀器已經(jīng)在內(nèi)蒙古、云南等很多地震臺站中得到實際應用。經(jīng)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(shè)計中。