德州仪器 TPS6012x 和 TPS6013x 评估模块使用指南

一、引言

在电子设计领域，高效的电压转换器是众多项目的核心组件。德州仪器（TI）的 TPS60120 和 TPS60130 电荷泵作为调节式、高效率的直流 - 直流转换器，为设计师们提供了可靠的电压转换解决方案。为了帮助设计师更好地评估这两款器件，TI 推出了对应的评估模块（EVM），即 TPS60120EVM - 142 和 TPS60130EVM - 143。

文件下载：TPS60120EVM-142.pdf

二、器件特性

输出参数

• TPS60120：输出电压为 3.3 V。当输入电压在 2 V 至 3.6 V 时，最大输出电流为 200 mA；当输入电压在 1.8 V 至 2 V 时，最大输出电流为 100 mA。
• TPS60130：输出电压为 5 V。当输入电压在 3 V 至 5.4 V 时，最大输出电流为 300 mA；当输入电压在 2.7 V 至 3 V 时，最大输出电流为 150 mA。

工作模式

这两款器件可根据输入电压，工作在电压倍增器模式或 1.5 倍模式，因此具有较高的效率。更多详细信息可参考对应的数据手册（文献编号 SLVS257 对应 TPS60120，SLVS258 对应 TPS60130）。

外部元件

这两款电荷泵最少需要四个外部电容器。为了实现优化性能，EVM 中 TPS60120 使用了六个外部电容器，TPS60130 使用了五个外部电容器。此外，还在 LBI 和 LBO 处添加了额外的电阻和电容。通过给定的电阻值，当 TPS60120 的输入电压 (V{IN}) 为 2 V 或更低，以及 TPS60130 的输入电压 (V{IN}) 为 3 V 或更低时，LBO 输出会发出低信号。若要为其他输入电压范围选择电阻值，可参考数据手册。

电容选择

飞行电容必须使用陶瓷电容，因为它们需要快速充电和放电，所以要求具有较低的等效串联电阻（ESR）。钽电容由于其电容值会随频率增加而减小，无法处理如此高的频率。

通用性

TPS60120 和 TPS60130 EVM 板还可用于评估该系列的其他器件（如 TPS60121、TPS60122、TPS60123、TPS60131、TPS60132 和 TPS60133）。为此，只需将集成电路和电容 C1 至 C4（见第二章）替换为数据手册中推荐的值。对于具有电源良好（PG）功能的器件，LBI 电阻可以移除，但并非必需。LBO 上拉电阻可作为 PG 上拉电阻，LBO 焊盘提供 PG 信号。

三、评估模块原理图

整体情况

TPS60120 和 TPS60130 的两个 EVM 原理图相同，不同之处在于集成电路本身以及外部元件的值（具体可参考表 2 - 1 和表 2 - 2）。

元件参数

TPS60120 EVM 元件参数

元件	值	制造商及型号	描述
C1, C2	2.2 µF, 10 V	Taiyo Yuden, LMK212BJ225MG - T	陶瓷飞行电容
C3	10 µF, 16 V	Sprague, 595D106X0016B2T	钽输入电容
C4	22 µF, 10 V	Sprague, 595D226X0010B2T	钽输出电容
C5, C6	4.7 µF, 10 V	Taiyo Yuden, LMK316BJ475KL - T	输入和输出处的陶瓷旁路电容
C7	100 nF		LBI 输入信号的滤波电容
R1	412 kΩ	E96 - 系列	LBI 输入电压调整
R2	634 kΩ	E96 - 系列	LBI 输入电压调整
R3	1 MΩ		开漏输出 LBO 的上拉电阻

TPS60130 EVM 元件参数

元件	值	制造商及型号	描述
C1, C2	2.2 µF, 10 V	Taiyo Yuden, LMK212BJ225MG - T	陶瓷飞行电容
C3	10 µF, 10 V	Taiyo Yuden, LMK325BJ106MN - T	钽输入电容
C4	33 µF, 16 V	Sprague, 595D336X0016B2T	钽输出电容
C5	4.7 µF, 10 V	Taiyo Yuden, LMK316BJ475KL - T	输入和输出处的陶瓷旁路电容
C6			空
C7	100 nF		LBI 输入信号的滤波电容
R1	590 kΩ	E96 - 系列	LBI 输入电压调整
R2	402 kΩ	E96 - 系列	LBI 输入电压调整
R3	1 MΩ		开漏输出 LBO 的上拉电阻

电阻与电容作用

电阻 R1/R2 用于调整 LBI 输入的输入电压，以便进行低电池检测，该电压会与 1.21 V 的内部参考电压进行比较。电容 C7 作为 LBI 输入电压的滤波电容，建议使用该电容是因为在 LBI 比较器的切换点，输入处的噪声可能会触发 LBO，从而导致 LBO 引脚出现振荡。由于 LBO 输出是开漏输出，因此需要一个外部上拉电阻（R3）。在不需要低电池检测的应用中，可以省略这四个元件。

连接器

• 输入输出连接器：板上有两个六针连接器，用于输入和输出电压。每个连接器的前三个引脚用于电源（In 或 Out），后三个引脚用于接地（GND）信号。
• 使能连接器：三针连接器可用于连接器件的 ENABLE 引脚。连接器的第一个引脚为电源（In）信号，第二个引脚为逻辑信号，第三个引脚为接地（GND）信号。可以使用跳线将该引脚连接到输入（电源电压）或接地，以开启或关闭器件。也可以使用外部信号源并将其连接到第二个引脚来连接任何其他信号。ENABLE 引脚是 CMOS 逻辑电平输入，电平规格可参考数据手册。连接到逻辑引脚的信号值可以高于电源电压，但不得超过最大额定值（见数据手册）。将逻辑低电平应用于 ENABLE 输入会关闭器件，并将输出与输入断开。在这种状态下，电源电流会降至 0.05 µA。对于正常操作，应分别将 ENABLE 信号连接到输入电压或逻辑高电平。

四、评估模块布局

布局特点

评估模块的组件和所有信号都仅放置在印刷电路板（PCB）的顶层。为了提供最佳性能，底层是一个实心接地平面（仅被一些过孔中断）。图 2 - 1 和图 2 - 2 展示了组件的放置和 EVM 的布局。表 2 - 1 和表 2 - 2 包含了放置在 EVM 上的所有电容和电阻的值及描述。

空间需求

EVM 上集成电路和电容所需的空间约为 (15 mm × 16 mm = 240 mm^{2})。

五、评估模块设置

操作步骤

为了使 EVM 正常工作，需遵循以下步骤：

1. 使能输入设置：确保 ENABLE 输入已正确跳线或连接到外部源。
2. 负载连接：在输出端（GND 和 Out 之间）连接负载。
   • TPS60120：当 (V{IN}) 在 2 V 至 3.6 V 之间时，负载电阻应大于 16.5 Ω 或负载电流在 0 mA 至 200 mA 之间；当 (V{IN}) 在 1.8 V 至 2 V 之间时，负载电阻应大于 33 Ω 或负载电流在 0 mA 至 100 mA 之间。
   • TPS60130：当 (V{IN}) 在 3 V 至 5.4 V 之间时，负载电阻应大于 16.7 Ω 或负载电流在 0 mA 至 300 mA 之间；当 (V{IN}) 在 2.7 V 至 3 V 之间时，负载电阻应大于 33.4 Ω 或负载电流在 0 mA 至 150 mA 之间。
3. 电源连接：将具有适当电压的直流电源（或电池组）连接到输入（In）和接地（GND）之间。
   • TPS60120：输入电压范围为 1.8 V 至 3.6 V。
   • TPS60130：输入电压范围为 2.7 V 至 5.4 V。

六、总结

德州仪器的 TPS6012x 和 TPS6013x 电荷泵评估模块为设计师提供了一个便捷的平台，用于评估这些高效电压转换器的性能。通过合理设置和使用 EVM，设计师可以更好地了解器件的特性，为实际项目的设计提供有力支持。大家在使用过程中，是否遇到过类似评估模块的使用难题呢？欢迎在评论区分享你的经验和问题。