TPS6014x电荷泵评估模块使用指南

一、引言

德州仪器（TI）的TPS6014x电荷泵评估模块（EVM）为设计师提供了评估TPS60140和TPS60141设备性能的有效工具。TPS6014x电荷泵是受调节的电压三倍器，能从两个镍镉、镍氢或碱性电池单元产生5V输出电压。借助该EVM，设计师可以评估设备在不同条件下的性能，而且操作简单，只需合适电压范围的电池组或直流电源即可。同时，EVM的电路板布局可作为参考设计，有助于减少设计师的评估时间。

文件下载：TPS60140EVM-144.pdf

二、电压三倍器的基本操作

工作原理

TPS6014x电荷泵作为调节电压三倍器工作。其振荡器以50%的占空比运行，一个振荡周期分为两个阶段。在阶段1，飞行电容被充电至最大输入电压(V{IN})，开关(S{1})至(S{4})闭合，两个飞行电容(C{1F})和(C{2F})并联充电至(V{IN})。在阶段2，飞行电容与输入电压串联，开关(S{5})至(S{7})闭合，输出电容(C_{OUT})在无系统损耗的情况下可充电至输入电压的3倍，这就是电压三倍器名称的由来。

调节机制

TPS6014x是受调节的电荷泵，内置控制电路来控制输出电压。输出电压通过内部电阻分压器进行分压，分压后的电压与内部参考电压比较，产生的控制信号控制振荡器和开关。调节采用改进的脉冲跳过模式，当输出电压高于5V时跳过脉冲或周期，低于5V时激活开关。在高负载时，还使用额外的调节来改善电压纹波性能，通过输出电阻调节输出电流，仅提供维持调节输出电压所需的最小电流。

三、EVM的描述

输出性能

TPS6014x可提供5.0V的输出电压。对于2.0V至3.6V的输入电压，最大连续输出电流为100mA；对于1.8V至2.0V的输入电压，最大连续输出电流为50mA。设备可通过ENABLE引脚禁用，禁用后电源电流限制为0.1µA，并断开输入与输出的连接。

检测功能

TPS60140具有片上低电池检测器（LBI输入和LBO输出），可通过外部电阻分压器进行编程。当LBI引脚电压低于1.21V ±5%时，LBO引脚输出数字低信号；高于该范围时，LBO引脚为高阻抗。因此，需要在LBO引脚和输出电压之间连接一个100kΩ至1MΩ的电阻。TPS60141则具有电源良好检测器（PG输出），当输出电压高于5V - 10%时，PG输出为高阻抗。

外部部件

EVM使用TPS60140并配备所有必要的外部部件以实现优化操作。最少需要四个外部电荷泵电容，为优化性能，EVM使用了六个外部电容。在输入和输出端，一个100nF的小陶瓷电容与较大电容并联，以减少从传输阶段（输出电容充电）到充电阶段（传输或飞行电容充电）以及反之的转换过程中的尖峰。此外，还在LBI和LBO处添加了额外的电阻和电容。所有电容都应使用陶瓷电容，因为其他类型电容的等效串联电阻（ESR）过高，且在高频下无法保持其电容值。

兼容性

TPS60140 EVM也可用于评估该系列的另一个设备TPS60141，只需更换集成电路即可。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。

四、EVM的物理数据

原理图

EVM的原理图中仅使用陶瓷电容。电容C5和C6是旁路电容，用于过滤传输和充电阶段转换时的尖峰。表2 - 1列出了TPS60140 EVM的物料清单，其中R1/R2用于调整LBI输入的输入电压以进行低电池检测，推荐这两个电阻的总和在100kΩ至1MΩ之间。C7作为LBI输入电压的滤波电容，可防止LBO引脚因输入噪声而产生振荡。LBO输出是开漏输出，需要一个100kΩ至1MΩ的外部上拉电阻R3。如果应用不需要低电池检测，这四个部件可以省略。电路板上有两个六针连接器用于电压的输入和输出，还有一个三针连接器用于连接设备的ENABLE引脚。

布局

EVM的组件和所有信号都仅放置在印刷电路板的顶层，底层是连接到GND的实心平面（仅被一些过孔打断），以提供最佳性能。设备底部有PowerPAD，在EVM上未焊接，便于更换集成电路。在EVM上，PowerPAD下方是一个连接到GND的开放铜板，只要设备不在极端条件下运行（如高温或持续最大连续输出电流），这种热连接就足够了，但建议在可能的情况下焊接PowerPAD。EVM上IC和所有外部部件所需的空间约为(15mm×25mm = 375mm^{2})，该EVM并非为节省空间而设计，电容的焊盘可以缩小，并且可以更靠近IC放置。

安装设置

为确保EVM正常运行，需遵循以下步骤：

1. 确保ENABLE（EN）输入正确跳线或连接到外部源。
2. 在输出端（GND和Out之间）连接负载，对于2V ≤ (V{IN}) ≤ 3.6V，负载电阻应大于50Ω，电流范围为0mA至100mA；对于1.8V ≤ (V{IN}) < 2V，负载电阻应大于100Ω，电流范围为0mA至50mA。
3. 在输入（In）和地（GND）之间连接合适电压的直流电源（或电池组），输入电压范围为1.8V ≤ (V_{IN}) ≤ 3.6V。

五、组件选择

低电池检测电阻选择

EVM上低电池检测器（LBI）的电阻分压器连接在输入电压(V{IN})和GND之间，默认阈值设置为2V。可以使用以下公式计算低电池检测的电阻分压器： [R{2}=(R{1}+R{2}) × frac{V{trip }}{V{IN }}] [R{1}=(R{1}+R{2}) - R{2}] 同时，为消除LBO输出因线路或负载瞬变而产生的切换，在电阻R2上并联一个100nF的电容。表3 - 1给出了电阻分压器的推荐值，这些电阻来自E96系列，公差为1%，电阻总和约为1MΩ。

电容选择

为获得最大输出电流和最佳性能，建议使用EVM上的电容。对于较低电流或允许较高输出电压纹波的情况，可以使用较小的陶瓷电容，具体选择可参考表3 - 2。所有电容都应使用X7R或X5R材料的陶瓷电容，使用其他类型的电容，尤其是在输出端，会增加输出电压纹波。

你在设计中是否遇到过类似电荷泵电路的布局和组件选择问题呢？欢迎在评论区分享你的经验和见解。