TPS6020x 評估模塊：低紋波電荷泵的設(shè)計與評估

一、前言

在電子設(shè)計領(lǐng)域，電源管理是至關(guān)重要的一環(huán)。德州儀器（TI）的 TPS6020x 系列電荷泵，以其低紋波、高效能等特點，在眾多應(yīng)用場景中得到了廣泛應(yīng)用。今天，我們就來深入了解一下 TPS6020x 評估模塊（EVM），看看它如何幫助我們評估 TPS60200 這款低紋波電荷泵 DC/DC 轉(zhuǎn)換器的性能。

文件下載：TPS60200EVM-145.pdf

二、TPS60200 器件概述

2.1 基本功能

TPS60200 是一款穩(wěn)壓電壓倍增器，能夠在 1.6 V 至 3.6 V 的輸入電壓范圍內(nèi)，輸出 3.3 V 的穩(wěn)定電壓。其輸出電流能力根據(jù)輸入電壓的不同而有所變化：當(dāng)輸入電壓在 1.6 V 至 1.8 V 時，最大輸出電流為 25 mA；1.8 V 至 2 V 時，為 50 mA；2 V 至 3.6 V 時，可達(dá) 100 mA。

2.2 低電池檢測功能

該器件還具備低電池檢測器，通過 LBI 輸入和 LBO 輸出實現(xiàn)。LBI 輸入的觸發(fā)電壓典型值為 1.18 V，可通過外部電阻分壓器進(jìn)行編程，以適應(yīng)不同應(yīng)用的特定觸發(fā)電壓。在 EVM 上，LBI 輸入的電阻分壓器連接到輸入電壓 VI，觸發(fā)電壓通常設(shè)置為 2 V。LBO 輸出為開漏輸出，只要 LBI 處的電壓高于觸發(fā)電壓，就處于高阻抗?fàn)顟B(tài)。為了在 LBI 電壓高于觸發(fā)電壓時獲得明確的高信號，EVM 上添加了一個 1 MΩ 的上拉電阻到輸出電壓 VO。

2.3 使能控制

為了便于簡單評估，在輸入電壓 V1 和 EN 引腳之間添加了一個 1 MΩ 的電阻，只要 EVM 上的 EN 引腳沒有信號，就可以使能該器件。

2.4 外部電容

推挽式電壓倍增器電荷泵的外部電容最少需要四個，EVM 就是基于這些電容構(gòu)建的。在評估時，也可以使用數(shù)據(jù)手冊（SLVS274）中給出的其他電容值。需要注意的是，EVM 上使用的是陶瓷電容，因為其他類型電容的等效串聯(lián)電阻（ESR）過高。

三、EVM 物理數(shù)據(jù)

3.1 原理圖

EVM 的原理圖如圖 2 - 1 所示，僅使用了 X7R 或 X5R 材料的陶瓷電容。表 2 - 1 列出了 TPS60200EVM - 145 的物料清單，下面我們來看看一些關(guān)鍵部件的作用：

• R1 和 R2：用于調(diào)整 LBI 輸入的電壓，以實現(xiàn)低電池檢測。電阻分壓器連接到輸入電壓 VI，當(dāng)輸入電壓低于 2 V 時，LBO 信號將變?yōu)榈碗娖健?/li>
• C5：作為 LBI 輸入電壓的濾波電容，推薦在出現(xiàn)線路或負(fù)載瞬變時使用，以防止輸入噪聲在 LBI 比較器的切換點觸發(fā) LBO，導(dǎo)致 LBO 引腳出現(xiàn)振蕩。
• R3：LBO 輸出為開漏輸出，需要一個外部上拉電阻，推薦值在 100 kΩ 至 1 MΩ 之間。如果應(yīng)用不需要低電池檢測，可以省略這四個部件，但此時 LBI 引腳應(yīng)接地。
• EN 引腳：施加邏輯低電平到 EN 輸入會關(guān)閉器件，并將輸出與輸入斷開，輸出電容通過器件放電，此時 IC 的電源電流降至 0.05 μA。當(dāng)器件禁用時，要注意 LBI 和 EN 電阻的電流消耗可能比器件本身還大。為了在低電流模式下操作，需要移除三個電阻（R1、R2、R4）。此外，器件可以通過將 EN 信號連接到輸入電壓（如 EVM 上的連接方式）或邏輯高電平來使用內(nèi)部振蕩器工作，也可以與外部振蕩器信號同步，只需將 EN 引腳連接到外部時鐘信號即可。

3.2 布局

EVM 的組件和所有信號都僅放置在 PC 板的頂層，尺寸為 17.9 mm × 10.2 mm，可以通過 14 引腳雙列直插式插座連接。表 2 - 2 顯示了雙列直插式引腳編號與板上器件連接信號的對應(yīng)關(guān)系。

3.3 設(shè)置步驟

為了使 EVM 正常工作，需要遵循以下步驟：

1. 連接負(fù)載：根據(jù)輸入電壓的不同，選擇合適的負(fù)載電阻。當(dāng) 2 V ≤ VI ≤ 3.6 V 時，使用 33 Ω 電阻，負(fù)載電流范圍為 0 mA 至 100 mA；當(dāng) 1.8 V ≤ VI < 2 V 時，使用 66 Ω 電阻，負(fù)載電流范圍為 0 mA 至 50 mA；當(dāng) 1.6 V ≤ VI ≤ 1.8 V 時，使用 132 Ω 電阻，負(fù)載電流范圍為 0 mA 至 25 mA。啟動時僅使用電阻性負(fù)載，避免使用電流吸收器。
2. 連接電源：將直流電源（或電池組）連接到輸入（In）和地（GND）之間，輸入電壓范圍為 1.6 V ≤ V1 ≤ 3.6 V。

3.4 評估信息

• 使能與禁用：由于 EVM 的 EN 引腳上有上拉電阻，器件默認(rèn)處于使能狀態(tài)。要禁用器件，將 EVM 的 EN 引腳驅(qū)動到 GND。
• 外部時鐘同步：通過將 400 kHz 至 800 kHz 的時鐘信號連接到板上的 EN 引腳，可以使器件與外部時鐘同步。具體的占空比和電平請參考數(shù)據(jù)手冊（SLVS274）。
• 低電池檢測測試：要測試低電池檢測器的功能，將輸入電壓降低到 2 V 以下，可以觀察到 LBO 信號從高電平變?yōu)榈碗娖?。不同的觸發(fā)電壓可以通過更換 LBI 電阻分壓器中的電阻來調(diào)整。
• 電容評估：還可以在 EVM 上評估不同的電容，數(shù)據(jù)手冊（SLVS274）中提供了電容選擇列表以及相應(yīng)的輸出電壓紋波信息。

需要注意的是，不要長時間在最大輸入電壓、最大輸出電流和最大環(huán)境溫度下使用該器件，因為功耗會使器件發(fā)熱，可能導(dǎo)致?lián)p壞。不過，在電池驅(qū)動系統(tǒng)中，這通常不是問題。更多詳細(xì)信息請參考數(shù)據(jù)手冊（SLVS274）。

四、總結(jié)

TPS6020x 評估模塊為我們提供了一個方便的平臺，用于評估 TPS60200 電荷泵的性能。通過合理設(shè)置和評估，我們可以更好地了解該器件的特性，為實際應(yīng)用提供有力的支持。在設(shè)計過程中，我們要充分考慮器件的各項參數(shù)和功能，確保系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。你在使用 TPS6020x 系列器件時遇到過哪些問題呢？歡迎在評論區(qū)分享你的經(jīng)驗和見解。