电源转换芯片TPS5430的特点及应用

　　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

　　1.TPS5430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：5.5~36V;

　　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1.221V;

　　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。

　　图1　TPS5430芯片的效率- 电流关系曲线图

　　2.功能和结构

　　（1） 管脚说明：

　　TPS5430采取8脚SO IC PowerPADTM封装， 形式如图2。

　　图2　TPS5430封装

　　（2） 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。经测试， 在允许的温度范围内， 1.221V电压输出时能隙带和缩放电路保持平衡。

　　③ ENA （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。

　　④ UVLO （欠压锁定） 。

　　TPS5430带有UVLO电路。无论在上电或掉电过程中， 只要V IN （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.

　　⑤ Boost CaPACitor （启动电容） 。

　　在BOOT脚和PH脚间连接0.01μF的陶瓷电容， 为MOSFET的高端提供门电压。

　　⑥ VSENSE （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脚的电压等于电压参考值1.221V.TPS5430拥有内部补偿电路， 简化了芯片设计。

　　⑦ Voltage 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.

　　⑧ Pulse – W idth – ModulaTIon Control （脉宽控制） 。

　　转换器采取固定频率控制方式。

　　⑨ Overcurrent 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。

　　⑩ Thermal 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。

　　1.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： 10.8~19.8V;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.

　　（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 2.TPS5430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40MΩ。

　　③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5.0V， 参考电压1.221V， R1为10kΩ， 则确定R2为3.24kΩ。

　　④ BOOT （启动） 电容。

　　BOOT电容C 2选择0.01μF.

　　⑤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0.5V.

　　2.电路板设计

　　TI公司推荐了TPS5430的10.8~19.8V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：

　　① PowerPAD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。