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(shí)踐情況對其在地震前兆觀測儀器中的應(yīng)用進(jìn)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(jìn)行了開發(fā)， 并將其應(yīng)用到了TJ – 2型體積式應(yīng)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(xiàng)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(dá)95%;

　　寬電壓輸出范圍：最低可以調(diào)整降到1.221V;

　　內(nèi)部補(bǔ)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(hù)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(dòng)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(shí)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)

　　（1） 管腳說明：

　　TPS5430采取8腳SO IC PowerPADTM封裝， 形式如圖2。

　　圖2　TPS5430封裝

　?。?） 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。

　　②基準(zhǔn)（Reference） 電壓。

　　通過縮放溫度穩(wěn)定能隙帶電路的輸出范圍， 基準(zhǔn)電壓系統(tǒng)產(chǎn)生精確的基準(zhǔn)信號。經(jīng)測試， 在允許的溫度范圍內(nèi)， 1.221V電壓輸出時(shí)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(dòng)。

　　當(dāng)ENA腳上的電壓超過極限電壓時(shí)轉(zhuǎn)換器和內(nèi)部的軟啟動(dòng)開始工作， 低于極限電壓，轉(zhuǎn)換器停止工作軟啟動(dòng)開始復(fù)位。ENA腳接地或電壓小于015V時(shí)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(dòng)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。

　　⑥ VSENSE （外部反饋） and Internal Compensation （內(nèi)部補(bǔ)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(bǔ)償電路， 簡化了芯片設(shè)計(jì)。

　　⑦ 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(gè)恒定的增益。這大大簡化了穩(wěn)定性分析， 改進(jìn)了瞬態(tài)響應(yīng)。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。

　　⑨ Overcurrent Protection （過流保護(hù)） 。

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

　?、?Thermal Shutdown （熱關(guān)斷） 。

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

　　三、TPS5430在地震前兆觀測數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中的應(yīng)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(yùn)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(yīng)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(huì)出現(xiàn)自動(dòng)重啟現(xiàn)象。究其原因， 發(fā)現(xiàn)是MAX1626等芯片電源帶負(fù)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(fù)載能力強(qiáng)、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(jì)

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

　?。?） 設(shè)計(jì)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.

　?。?） 應(yīng)用電路

　　本系統(tǒng)電源設(shè)計(jì)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(yīng)用電路圖

　?。?） 元件的選擇

　　①輸入電容。

　　TPS5430需要一個(gè)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(diǎn)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(bǔ)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(jià)阻抗（ ESR） 的重要設(shè)計(jì)因素。此應(yīng)用中選擇220μF輸出電容， 此時(shí)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。

　?、?BOOT （啟動(dòng)） 電容。

　　BOOT電容C 2選擇0.01μF.

　　⑤捕獲二極管。

　　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(jì)

　　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(jì)過程中要遵循一般電源轉(zhuǎn)換芯片電路的設(shè)計(jì)原則， 以達(dá)到預(yù)期效果。另外還有兩點(diǎn)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(yīng)用焊接。

　?、趯NA腳沒有特殊要求時(shí)可懸空， 也可預(yù)留出信號過孔。

　　圖5 電路板設(shè)計(jì)圖

　　四、結(jié) 語。

　　目前， 利用TPS5430電源供電的TJ22型體積式應(yīng)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(tái)站中得到實(shí)際應(yīng)用。經(jīng)過驗(yàn)證電源工作狀況良好， 各項(xiàng)性能均能滿足工作要求， 可推廣到其他硬件設(shè)計(jì)中。