电源转换芯片TPS5430及其应用马爱虹 李海亮(中国地震局地壳应力研究所 北京 100085)摘要 TPS5430是TI (美国德州仪器公司)最新推出的一款DC/DC开关电源转换芯 片其优越的性能使得它刚刚上市就受到广泛关注本文描述了该芯片的特征、参 数、功能、结构,并结合实践情况对其在地震前兆观测仪器中的应用进行了介绍一、引 言地震前兆观测仪器是地震前兆观测的重要组成部分只有仪器稳定、工作可靠,才能 为地震前兆分析工作提供连续的原始数据不断的挖掘和采用高性能的元器件替换相对性能低的、旧的元器件是改善仪器性能的一条途径TPS5430是TI公司最新推出的一款性能优越的DC/DC开关电源转换芯片我们对其进行了开发,并将其应用到了TJ - 2型体积式应变仪的数据采集系统二、TPS5430简介11TPS5430特性TPS5430具有良好的特性,其各项性能及主要参数如下:高电流输出: 3A (峰值4A) ; 宽电压输入范围: 515～36V; 高转换效率:最佳状况可达95%;宽电压输出范围:最低可以调整降到11221V; 内部补偿最小化了外部器件数量;固定500kHz转换速率; 有过流保护及热关断功能;具有开关使能脚,关状态仅有17uA静止电流;内部软启动与其他同类型直流开关电源转换芯片相比,TPS5430的高转换效率特别值得关注。
图1为在12V输入电压、5V输出电压时TPS5430转换效率与输出电流的关系曲线图21功能和结构(1)管脚说明:TPS5430采取8脚SO IC PowerPADT M封装,形式如图22)内部结构及功能:①晶振(Oscillator)频率 固定500kHz转换速率,使得在同样的输出波纹要求下产生更小的输出电感 ②基准(Reference)电压 通过缩放温度稳定能隙带电路的输出范围,基准电压系统产生精确的基准信号经测271地壳构造与地壳应力文集(19) 2006年图1 TPS5430芯片的效率-电流关系曲线图图2 TPS5430封装1: BOOT脚, FET门驱动; 2:空; 3:空; 4: VSENSE脚,误差放大器转换节点,基准电压值; 5:使能脚; 6:地;7:电压输入脚; 8:PH脚,相位端,与外部LC滤波器连接; 9:PowerPAD脚,与过孔焊盘连接,用于散热试,在允许的温度范围内, 11221V电压输出时能隙带和缩放电路保持平衡 ③ENA (使能脚)和(Slow Start)内部软启动 当ENA脚上的电压超过极限电压时转换器和内部的软启动开始工作,低于极限电压, 转换器停止工作软启动开始复位。
ENA脚接地或电压小于015V时转换器停止工作ENA脚可以悬空 ④UVLO (欠压锁定)TPS5430带有UVLO电路无论在上电或掉电过程中,只要V I N (输入电压)低于极 限电压,转换芯片不工作UVLO比较器的典型迟滞值为330mV ⑤Boost Capacitor (启动电容)在BOOT脚和PH脚间连接0101μF的陶瓷电容,为MOSFET的高端提供门电压 ⑥VSENSE (外部反馈)and Internal Compensation (内部补偿) 输出电压通过外部电阻分压被反馈到VSENSE脚在稳定状态下, VSENSE脚的电压371 马爱虹等:电源转换芯片TPS5430及其应用等于电压参考值11221VTPS5430拥有内部补偿电路,简化了芯片设计 ⑦Voltage Feed Forward (电压正反馈) 内部的电压正反馈保证了无论输入电压如何变化电源芯片都有一个恒定的增益这大大简化了稳定性分析,改进了瞬态响应TPS5430的正反馈增益典型值为25 ⑧Pulse - W idth - Modulation Control (脉宽控制) 转换器采取固定频率控制方式 ⑨Overcurrent Protection (过流保护)。
过流保护电路使得电流超过极限值时,内部的过流指示器设置为真,过流保护被触发 ⑩Ther mal Shutdown (热关断) 接点温度超过了温度关断点,电压参数被置为地,高端MOSFET关断受软启动电路 的控制,当接点温度降到比温度关断点低14℃ 时,芯片重新启动三、TPS5430在地震前兆观测数据采集系统中的应用数据采集系统是地震前兆观测仪器的重要组成部分,它将传感器探测到的微弱模拟信 号转换成数字信号,并运算,为后续的地震分析提供可靠数据 最初,我们曾采用MAX1626等芯片电源为TJ - 2型体积式应变仪数据采集系统供电,但在测试中我们发现系统工作不稳定,仪器会出现自动重启现象究其原因,发现是MAX1626等芯片电源带负载能力不足够大造成的因此,经过多方考察,我们最终选用 带负载能力强、效率高、外围器件少的TPS5430芯片作电源,为数据采集系统的A /D转 换模块和数据处理模块供电,原理如图3图3 数据采集系统原理图11电路设计在对TJ - 2型体积式应变仪数据采集系统的供电电源设计过程中,首先要根据工作要求确定设计参数,然后根据参数设计电路和选择外围元器件1)设计参数要求输入电压范围: 1018～1918V;输出电压: 5V;输入波纹电压: 300mV;输出波纹电压: 30mV;输出额定电流: 3A。
471地壳构造与地壳应力文集(19) (2)应用电路本系统电源设计选用TPS5430的经典电路,如图4图4 1018～1918V输入转5V输出电压应用电路图(3)元件的选择①输入电容TPS5430需要一个稍大些的退耦电容这里推荐10μF (C 1)的高性能陶瓷电容也可以选择小一点的电容,但要满足输入电压和额定电流波纹要求②输出滤波器件输出滤波器件,即L 1、C 2TPS5430具有内部补偿电路输出电感与最大输出电流有关,这里选择15μH电感输出电容是影响额定电压、额定波纹电流和等价阻抗(ESR)的重要设计因素此应用中选择220μF输出电容,此时电路中产生的RMS波纹电流为143mA,需要最大的ESR为40MΩ③输出电压设置输出电压由VSENSE脚的电阻(R 1、R 2)决定如果输出电压510V,参考电压11221V, R1为10kΩ,则确定R2为3124kΩ④BOOT (启动)电容BOOT电容C 2选择0101μF⑤捕获二极管TPS5430需要外部捕获二极管,选择B340A,它的反向电压为40V,正向电流3A,正向电压015V21电路板设计TI公司推荐了TPS5430的1018～1918V输入转5V输出电压电路板布线和元器件放置方式图,如图5。
TPS5430的电路板设计过程中要遵循一般电源转换芯片电路的设计原则,以达到预期效果另外还有两点需要注意:①PowerPAD要求与地相连,可在芯片正下方放置焊盘,并打过孔,以方便正确571 马爱虹等:电源转换芯片TPS5430及其应用焊接 ②对ENA脚没有特殊要求时可悬空,也可预留出信号过孔图5 电路板设计图四、结 语目前,利用TPS5430电源供电的TJ22型体积式应变仪的数据采集仪器已经在内蒙古、 云南等很多地震台站中得到实际应用经过验证电源工作状况良好,各项性能均能满足工 作要求,可推广到其他硬件设计中The DC /DC converter TPS5430 and its applicationMa A ihong L i Ha iliang( Institute of CrustalDynamics, CEA, Bingjing 100085 )TPS5430 is a DC/DC regulatormade by Texas Instrument recently1It has superior functionsand performance1More and more people pay attention to it1Its characteristics, parameters, func2tions, framework and application are described in this paper1671地壳构造与地壳应力文集(19) 。