基于ＴＰＳ７３５０的智能車電源設(shè)計(jì)

摘要：針對(duì)智能車與其它便攜式移動(dòng)設(shè)備的特定要求，來探討電源管理(電源調(diào)節(jié))器件的使用問題。在對(duì)線性調(diào)整電源器件78XX、串聯(lián)開關(guān)電源器件LM2575／2576及低壓差線性電源器件TPS73XX的應(yīng)用特性進(jìn)行比較的基礎(chǔ)上，引出了TPS73XX系列器件具有諸多應(yīng)用特點(diǎn)，通過TPS7350在電池供電的智能車系統(tǒng)中應(yīng)用實(shí)例，驗(yàn)證TPS7350在便攜式移動(dòng)設(shè)備上使用的優(yōu)越性。通過靈活使用TPS73XX系列芯片，可為小功率的便攜式移動(dòng)設(shè)備提供簡潔的設(shè)計(jì)方案，并可滿足不同系統(tǒng)的應(yīng)用需求。

關(guān)鍵詞：TPS7350；電源設(shè)計(jì)；智能車

電源調(diào)節(jié)器件通常使用最多的是線性穩(wěn)壓器件(如78xx系列三端穩(wěn)壓器件)。雖然這種線性穩(wěn)壓器具有輸出電壓恒定或可調(diào)、穩(wěn)壓精度高的優(yōu)點(diǎn)，但是由于其線性調(diào)整工作方式在工作中會(huì)造成較大的“熱損失”(其值為V_壓降×I_負(fù)荷>)，導(dǎo)致其電源利用率不高、工作效率低下，不易達(dá)到便攜式設(shè)備對(duì)低功耗的要求。

與線性穩(wěn)壓器件相比，開關(guān)電源調(diào)節(jié)器以完全導(dǎo)通或關(guān)斷的方式工作，通過控制開關(guān)管的導(dǎo)通與截止時(shí)間，有效的減少工作中的“熱損失”，保證了較高的電源利用率。開關(guān)管的高頻通斷特性以及串聯(lián)濾波電感的使用對(duì)來自于電源的高頻干擾具有較強(qiáng)的抑制作用。同時(shí)由于其低功耗特點(diǎn)，在進(jìn)行電路板設(shè)計(jì)時(shí)，可以減少散熱片的體積和PCB板的面積，有時(shí)甚至不需要加裝散熱片，方便了電路設(shè)計(jì)與使用，但是由于其工作壓降要求在1．0V以上，卻限制了該類型開關(guān)電源在某些便攜式移動(dòng)設(shè)備上的使用。

針對(duì)線性穩(wěn)壓電源與開關(guān)電源存在較高工作壓降的問題使得這兩類電源調(diào)節(jié)器件不易廣泛應(yīng)用于便攜式移動(dòng)設(shè)備中，我們采用了一種低壓差線性電源芯片TPS73XX來作為智能車的電源調(diào)節(jié)器件。TPS73XX具有輸入電壓范圍大，過熱、過流及電壓反接保護(hù)，輸出電流為150mA時(shí)壓差小于0．1V等特點(diǎn)，特別是當(dāng)其輸出電流為100mA時(shí)，壓差僅僅為0．035V，如TPS73XX系列中的TPS7350可保證電池電壓在+7V～+5．1V范圍內(nèi)變化時(shí)，輸出穩(wěn)定的5V電壓，顯著的提高了電源的利用效率。

TPS73XX概述

TPS73XX是美國TI公司生產(chǎn)的微功耗、低壓差電源管理芯片，它具有節(jié)電關(guān)斷模式與輸出電壓監(jiān)控功能，極低的靜態(tài)電流且不隨負(fù)載變化；集成延時(shí)微處理器復(fù)位功能保證系統(tǒng)的正常工作；具有完善的保護(hù)電路，包括過熱、過流及電壓反接保護(hù)。利用該器件只需極少的外圍器件便可構(gòu)成高效穩(wěn)壓電路。TPS73XX系列含有五種固定輸出電壓的穩(wěn)壓器：

TPS7325(2.5V)，TPS7330(3．0V)，TPS7333(3．3V)，TPS7348(4．85V)與TPS7350(5．0V)。該系列還有一種可調(diào)穩(wěn)壓器TPS7301(1．2V～9．75V)，此外還提供了工作狀態(tài)的外部控制引腳。

TPS73XX系列開關(guān)穩(wěn)壓集成電路的主要特性如下：

·有2．5V、3V、3．3V、4．85V與5V這幾種固定輸出型與一種可調(diào)輸出型器件；

·集成的精密電源電壓監(jiān)控器，可對(duì)穩(wěn)壓器的輸出電壓進(jìn)行監(jiān)控；

·低電平有效的復(fù)位信號(hào)，脈沖寬度為200ms；

·極低壓差一In=100mA時(shí)，最大值為35mV

·低靜態(tài)電流一與負(fù)載無關(guān)一典型值為340uA；

·極低的休眠狀態(tài)電流一最大值為0．5uA

·在整個(gè)負(fù)載、電源與溫度范圍內(nèi)，固定輸出型器件的容積為2％；

·輸出電流范圍為：0mA-500mA

·在要求嚴(yán)格的應(yīng)用中，TSSOP封裝可降低元件的高度。

TPS73XX的內(nèi)部框圖如圖1所示。由于TPS73XX系列產(chǎn)品采用PMOS工藝，保證了該器件在全負(fù)載范圍內(nèi)極低的工作電流，甚至在穩(wěn)壓器下降時(shí)也能保證其低靜態(tài)電流不變的特點(diǎn)。TPS73XX的內(nèi)部比較器監(jiān)控穩(wěn)壓器的輸出電壓，以此來檢測(cè)欠壓情況。正因?yàn)樵撾娐繁O(jiān)控著穩(wěn)壓器的輸出電壓，RESET輸出端也可以通過禁止穩(wěn)壓器或者通過任何導(dǎo)致輸出電壓下降到低于V_IT的故障條件來觸發(fā)。這些故障情形包括，輸出端的短路或輸入電壓低。一旦輸出電壓被重新配置，無論是通過重新使能穩(wěn)壓器還是通過排除故障條件，內(nèi)部定時(shí)器都會(huì)被啟動(dòng)，這樣就會(huì)使RESET信號(hào)在200ms(典型值)的超時(shí)周期內(nèi)處于有效狀態(tài)，將該RESET引腳接至微處理器的復(fù)位端，可在微型計(jì)算機(jī)與微處理器系統(tǒng)中啟動(dòng)一次復(fù)位操作，實(shí)現(xiàn)電源電壓的復(fù)位。使用該復(fù)位操作，不僅能夠保證系統(tǒng)的穩(wěn)定與可靠工作，而且減少外部復(fù)位電路的設(shè)計(jì)。在對(duì)輸出噪聲有嚴(yán)格要求的應(yīng)用場合，選用TPS73XX是最佳選擇，其噪聲頻譜密度低于2uv／HZ，該穩(wěn)壓器不僅可安全的傳導(dǎo)反向電流。同時(shí)還具有內(nèi)部電流限制與熱保護(hù)功能。在正常工作期間，TPS73XX將輸出電流限制在lA左右。在電流受到限制時(shí)，輸出電壓按線性規(guī)律反比例變化，直到過流情況結(jié)束為止。

性能比較

為了能夠更好的說明TPS73XX在實(shí)際應(yīng)用中的優(yōu)點(diǎn)，表1比較了在相同溫度、相同輸出電壓(+5V)條件下7805、LM2576及TPS7350的性能。

通過表1可以看出，在相同的輸出條件下，TPS7350具有更低的工作壓降和最小的靜態(tài)工作電流，也就體現(xiàn)了其低功耗的優(yōu)點(diǎn)。在智能車控制系統(tǒng)中，由于系統(tǒng)電源為電池供電，自然TPS7350也就成為電源調(diào)節(jié)器件的首選。

應(yīng)用舉例

2006年第一屆“飛思卡爾”杯全國智能車邀請(qǐng)賽的電源為7．2V／2Ah的鎳鎘電池組，由于直流電機(jī)在高速運(yùn)行時(shí)的電流達(dá)到4A。當(dāng)直流電機(jī)運(yùn)行半個(gè)小時(shí)左右，測(cè)得的電源電壓在+6.5V～+7.0V，而微處理器的輸入電壓要求為穩(wěn)定的+5V，如果選用7805線．性電源管理芯片，由于工作壓降要求在1.7V以上，也就是如果使7805輸出+5V電壓，那么輸入電壓至少在+6.7V以上，否則不易保證穩(wěn)定的+5V電壓輸出，也就很難保證微處理器的正常工作。由于其高壓差因素，如果使用7805，那么還應(yīng)該考慮電源散熱問題，使得整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)復(fù)雜且不能保證系統(tǒng)的有效工作時(shí)間。如果采用開關(guān)電源LM2575／2576，雖然有較高的電源使用效率，但同樣存在著工作壓降在lV以上的問題，縮短了系統(tǒng)的有效工作時(shí)間。而對(duì)于低壓差線性電源TPS7350在輸出電流為100mA時(shí)的最大壓降只有35mV，因此在本智能車系統(tǒng)中電源管理芯片選用TPS7350可以使電池獲得相對(duì)更長的使用時(shí)間。也正因?yàn)槿绱?，整個(gè)智能車控制系統(tǒng)的電源管理都是圍繞TPS7350的使用而展開。

使用TPS7350作為系統(tǒng)的電源管理芯片的優(yōu)點(diǎn)如下：

·只需要很少的外圍器件即可以達(dá)到應(yīng)用系統(tǒng)的要求，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的電壓輸出。使用該芯片的典型電路如圖2所示；

·由于“熱損失”小，在設(shè)計(jì)中基本可以不用考慮電源芯片的散熱問題，為電路的設(shè)計(jì)帶來了方便。

為了使TPS7350的工作性能最佳，在設(shè)計(jì)中應(yīng)該注意以下問題：

·SENSE端的連接問題

為了使穩(wěn)壓器正常工作，固定輸出器件的SENSE端必須連接到穩(wěn)壓器的輸出端，并且這種連接應(yīng)盡可能短，這樣可以最小化或避免噪聲拾取。不推薦在SENSE端與OUT端之間加一RC網(wǎng)絡(luò)來消除噪聲，否則，可能會(huì)導(dǎo)致穩(wěn)壓器振蕩。

·對(duì)外部電容的要求

TPS7350通常不需要輸入電容，但是當(dāng)TPS7350位于電源幾英寸遠(yuǎn)的地方時(shí)，使用陶瓷旁路電容可以改善負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)與噪聲抑制功能。為了保持輸出電壓的穩(wěn)定性，通常在輸出端與地之間加一個(gè)10uF的固態(tài)鉭電容就足以保證全負(fù)載范圍內(nèi)器件的穩(wěn)定性。

針對(duì)智能車控制系統(tǒng)對(duì)電源部分的特殊要求，整個(gè)智能車系統(tǒng)的電源管理可分為微處理器的電源、舵機(jī)電源與CCD圖像傳感器的工作電源等，其中，微處理器電源與舵機(jī)電源是利用TPS7350經(jīng)過處理得到的。另外，為了滿足某些應(yīng)用對(duì)象的大電流特性，也給出了相應(yīng)的解決方案，其具體應(yīng)用如下所述。

1)微處理器的電源

HCSl2DGl28B單片機(jī)是整個(gè)智能車控制系統(tǒng)的核心，要求工作電壓為穩(wěn)定的+5V，其供電電源的穩(wěn)定性直接影響智能車系統(tǒng)的工作性能。這里使用一片TPS7350即可滿足其應(yīng)用要求，具體的電路圖如圖3。

由于直流電機(jī)在高速運(yùn)行時(shí)的大電流特性，使得供電電源被嚴(yán)重污染。為了解決紋波對(duì)TPS7350輸入電源的影響，在輸入端采取了濾波措施，即在輸入端增加了大電容與大電感組成的LC濾波電路，可以有效將紋波的影響降到最低，以期將直流電機(jī)的輸出紋波對(duì)電源的影響降到最小。

由于TPS7350集成了電源復(fù)位功能，圖3中的REsET引腳連至HCSl2DGl28B的復(fù)位引腳，從而使得在智能車的復(fù)位電路設(shè)計(jì)不需要另加專用復(fù)位芯片(如通常使用的MC34064)，降低了系統(tǒng)的硬件成本，簡化了電路設(shè)計(jì)。

2)舵機(jī)電源

由于舵機(jī)任智能車控制系統(tǒng)中的特殊地位，其響應(yīng)時(shí)間對(duì)于控制轉(zhuǎn)向的靈活性非常重要。影響舵機(jī)工作性能的兩項(xiàng)重要參數(shù)——工作速度與堵轉(zhuǎn)力矩均與電壓有關(guān)，因此舵機(jī)工作電壓的選擇對(duì)智能車轉(zhuǎn)向控制的影響是不言而喻的。

通常有兩種方式可以加快舵機(jī)的響應(yīng)時(shí)間，一種方式是通過修改PWM周期；另一種方式是通過機(jī)械方式，利用舵機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩余量，將角度進(jìn)行放大，從而加快舵機(jī)的響應(yīng)速度。為了使舵機(jī)的工作性能最佳，在不改變舵機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，將舵機(jī)的工作電壓設(shè)定為+6V也是一種行之有效的解決辦法。然而TPS7350的輸出電壓為+5V，為了實(shí)現(xiàn)+6V輸出，需要在圖3的基礎(chǔ)上增加2個(gè)二極管，提高對(duì)地參考電位，即可滿足穩(wěn)定+6V輸出的要求，體現(xiàn)了使用TPS7350進(jìn)行電路設(shè)計(jì)的簡潔性。經(jīng)我們?cè)谥悄苘嚿系膶?shí)際使用證明了該方法的可行性。

3)大電流輸出模式

在某些便攜設(shè)備中，由于需要較大的輸出電流，如果采用單個(gè)TPS7350，由于其輸出電流不超過500mA，可能滿足不了系統(tǒng)的要求，這時(shí)可以使用多片TPS7350并聯(lián)的方案。在使用多片TPS7350并聯(lián)時(shí)，只需要將每個(gè)TPS7350的輸出端連接在一起，即可以實(shí)現(xiàn)增大輸出電流的目的。這里給出了期望輸出電流在0mA至1000mA情況下兩片TPS7350并聯(lián)使用的電源解決方案，具體電路圖如圖5所示。我們已成功的將該解決方案應(yīng)用于一種便攜式移動(dòng)設(shè)備中。

2006年8月，在清華大學(xué)舉辦的第一屆“飛思卡爾”杯全國智能車邀請(qǐng)賽中，我們的智能車電源部分的PCB板實(shí)物圖如圖6所示，該設(shè)計(jì)為我們的智能車提供了良好的動(dòng)力。

結(jié)語

通過三種電源管理芯片的比較可以看出，低壓差線性電源TPS7350具有諸多應(yīng)用特點(diǎn)，通過TPS7350在電池供電的智能車系統(tǒng)中的應(yīng)用實(shí)例，驗(yàn)證TPS7350在便攜式移動(dòng)設(shè)備上使用的優(yōu)越性。通過靈活使用TPS73XX系列芯片，可為小功率的便攜式移動(dòng)設(shè)備提供簡潔的設(shè)計(jì)方案，并可滿足不同系統(tǒng)應(yīng)用需求。

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