TPS6020x 评估模块：低纹波电荷泵的设计与评估

一、前言

在电子设计领域，电源管理是至关重要的一环。德州仪器（TI）的 TPS6020x 系列电荷泵，以其低纹波、高效能等特点，在众多应用场景中得到了广泛应用。今天，我们就来深入了解一下 TPS6020x 评估模块（EVM），看看它如何帮助我们评估 TPS60200 这款低纹波电荷泵 DC/DC 转换器的性能。

文件下载：TPS60200EVM-145.pdf

二、TPS60200 器件概述

2.1 基本功能

TPS60200 是一款稳压电压倍增器，能够在 1.6 V 至 3.6 V 的输入电压范围内，输出 3.3 V 的稳定电压。其输出电流能力根据输入电压的不同而有所变化：当输入电压在 1.6 V 至 1.8 V 时，最大输出电流为 25 mA；1.8 V 至 2 V 时，为 50 mA；2 V 至 3.6 V 时，可达 100 mA。

2.2 低电池检测功能

该器件还具备低电池检测器，通过 LBI 输入和 LBO 输出实现。LBI 输入的触发电压典型值为 1.18 V，可通过外部电阻分压器进行编程，以适应不同应用的特定触发电压。在 EVM 上，LBI 输入的电阻分压器连接到输入电压 VI，触发电压通常设置为 2 V。LBO 输出为开漏输出，只要 LBI 处的电压高于触发电压，就处于高阻抗状态。为了在 LBI 电压高于触发电压时获得明确的高信号，EVM 上添加了一个 1 MΩ 的上拉电阻到输出电压 VO。

2.3 使能控制

为了便于简单评估，在输入电压 V1 和 EN 引脚之间添加了一个 1 MΩ 的电阻，只要 EVM 上的 EN 引脚没有信号，就可以使能该器件。

2.4 外部电容

推挽式电压倍增器电荷泵的外部电容最少需要四个，EVM 就是基于这些电容构建的。在评估时，也可以使用数据手册（SLVS274）中给出的其他电容值。需要注意的是，EVM 上使用的是陶瓷电容，因为其他类型电容的等效串联电阻（ESR）过高。

三、EVM 物理数据

3.1 原理图

EVM 的原理图如图 2 - 1 所示，仅使用了 X7R 或 X5R 材料的陶瓷电容。表 2 - 1 列出了 TPS60200EVM - 145 的物料清单，下面我们来看看一些关键部件的作用：

• R1 和 R2：用于调整 LBI 输入的电压，以实现低电池检测。电阻分压器连接到输入电压 VI，当输入电压低于 2 V 时，LBO 信号将变为低电平。
• C5：作为 LBI 输入电压的滤波电容，推荐在出现线路或负载瞬变时使用，以防止输入噪声在 LBI 比较器的切换点触发 LBO，导致 LBO 引脚出现振荡。
• R3：LBO 输出为开漏输出，需要一个外部上拉电阻，推荐值在 100 kΩ 至 1 MΩ 之间。如果应用不需要低电池检测，可以省略这四个部件，但此时 LBI 引脚应接地。
• EN 引脚：施加逻辑低电平到 EN 输入会关闭器件，并将输出与输入断开，输出电容通过器件放电，此时 IC 的电源电流降至 0.05 µA。当器件禁用时，要注意 LBI 和 EN 电阻的电流消耗可能比器件本身还大。为了在低电流模式下操作，需要移除三个电阻（R1、R2、R4）。此外，器件可以通过将 EN 信号连接到输入电压（如 EVM 上的连接方式）或逻辑高电平来使用内部振荡器工作，也可以与外部振荡器信号同步，只需将 EN 引脚连接到外部时钟信号即可。

3.2 布局

EVM 的组件和所有信号都仅放置在 PC 板的顶层，尺寸为 17.9 mm × 10.2 mm，可以通过 14 引脚双列直插式插座连接。表 2 - 2 显示了双列直插式引脚编号与板上器件连接信号的对应关系。

3.3 设置步骤

为了使 EVM 正常工作，需要遵循以下步骤：

1. 连接负载：根据输入电压的不同，选择合适的负载电阻。当 2 V ≤ VI ≤ 3.6 V 时，使用 33 Ω 电阻，负载电流范围为 0 mA 至 100 mA；当 1.8 V ≤ VI < 2 V 时，使用 66 Ω 电阻，负载电流范围为 0 mA 至 50 mA；当 1.6 V ≤ VI ≤ 1.8 V 时，使用 132 Ω 电阻，负载电流范围为 0 mA 至 25 mA。启动时仅使用电阻性负载，避免使用电流吸收器。
2. 连接电源：将直流电源（或电池组）连接到输入（In）和地（GND）之间，输入电压范围为 1.6 V ≤ V1 ≤ 3.6 V。

3.4 评估信息

• 使能与禁用：由于 EVM 的 EN 引脚上有上拉电阻，器件默认处于使能状态。要禁用器件，将 EVM 的 EN 引脚驱动到 GND。
• 外部时钟同步：通过将 400 kHz 至 800 kHz 的时钟信号连接到板上的 EN 引脚，可以使器件与外部时钟同步。具体的占空比和电平请参考数据手册（SLVS274）。
• 低电池检测测试：要测试低电池检测器的功能，将输入电压降低到 2 V 以下，可以观察到 LBO 信号从高电平变为低电平。不同的触发电压可以通过更换 LBI 电阻分压器中的电阻来调整。
• 电容评估：还可以在 EVM 上评估不同的电容，数据手册（SLVS274）中提供了电容选择列表以及相应的输出电压纹波信息。

需要注意的是，不要长时间在最大输入电压、最大输出电流和最大环境温度下使用该器件，因为功耗会使器件发热，可能导致损坏。不过，在电池驱动系统中，这通常不是问题。更多详细信息请参考数据手册（SLVS274）。

四、总结

TPS6020x 评估模块为我们提供了一个方便的平台，用于评估 TPS60200 电荷泵的性能。通过合理设置和评估，我们可以更好地了解该器件的特性，为实际应用提供有力的支持。在设计过程中，我们要充分考虑器件的各项参数和功能，确保系统的稳定性和可靠性。你在使用 TPS6020x 系列器件时遇到过哪些问题呢？欢迎在评论区分享你的经验和见解。