基于TPS650250EVM的锂离子供电系统电源管理方案

在电子设备的设计中，电源管理是至关重要的环节。特别是对于以锂离子电池供电且需要多电源轨的系统，一个高效、可靠的电源管理方案能显著提升设备的性能和稳定性。今天，我们就来深入探讨一下德州仪器（Texas Instruments）的TPS650250EVM电源管理评估工具。

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一、TPS650250EVM简介

TPS650250EVM是一款集成式电源管理评估工具，专为使用单节锂离子或锂聚合物电池供电且需要多电源轨的应用而设计。其核心芯片TPS650250包含三个可调节的高效降压转换器、三个低压差线性稳压器（LDO）以及额外的状态和I/O引脚。

1. 应用场景

• 智能/手机：为处理器、显示屏、射频模块等提供稳定的电源。
• 数码相机：满足图像传感器、处理器和存储模块的电源需求。
• 基于三星ARM的处理器：确保处理器的核心电压、外设和内存轨的稳定供电。
• 飞思卡尔i.MX31处理器：为处理器提供合适的电源。
• 分离电源的DSP和uP解决方案：实现多电源轨的高效管理。

2. 特性

• 输入电压范围：3.3V至5.5V，适应多种电源输入。
• 输出可调节：所有输出的DC - DC转换器和LDO均可外部调节，提供了极大的灵活性。
• 默认输出电压：DCDC1和DCDC2有默认输出电压设置。
• 输出电流额定值：DCDC1为1.6A，DCDC2和DCDC3为0.8A，LDO1和LDO2为0.2A，VDD_ALIVE为30mA。
• 开关频率：2.25MHz，有助于减小外部元件的尺寸。
• 热关断保护：确保芯片在过热时自动保护，提高可靠性。

二、电气性能规格

1. 输入特性

输入电压（VIN）范围为3.3V至5.5V，输入欠压锁定（VIN_UVLO）在VIN下降到2.35V时起作用。

2. 输出特性

• DCDC1输出电压：在不同条件下可在2.7V和3.3V之间选择，精度在PWM模式下为 - 1%至2%。
• DCDC2输出电压：可在1.8V和2.5V之间选择，精度在PWM模式下为 - 1%至1%。
• DCDC3输出电压：固定为1.2V，精度在PWM模式下为 - 3%至3%。
• LDO1输出电压：2.5V，精度在Iout = 10mA时为 - 3%至5%。
• LDO2输出电压：1.4V，精度在Iout = 10mA时为 - 3%至5%。
• VDD_ALIVE输出电压：1.0V，精度在Iout = 0mA时为 - 3%至3%。

三、电路修改

1. DCDC3电压缩放

DCDC3的输出电压可通过电阻分压器网络R10和R11进行外部调节。工厂EVM配置中，R10 = 182k，R11 = 182k，输出电压为1.2V。通过修改R10和R11的值，可以改变输出电压。此外，EVM上有一个电压缩放电路，由JP5、Q1、R7和R8组成，可使DCDC3的输出电压在两个电压之间切换，有助于降低应用处理器在低功耗模式下的功耗。

2. 设计公式

[Rx=frac{(R 10 × V R E F)}{left(V_{OUTDCDC_2 }- VREF right)}] [R 8=frac{(R 11 × R x)}{(R 11-R x)}]

其中，R10为反馈驱动的上拉电阻，R11为反馈驱动的下拉电阻，Rx为R8和R11的并联电阻，VOUTDCDC2为缩放电路激活时的输出电压，VREF为参考电压。

四、连接器和测试点说明

1. 电源输入连接器

• J1 - VIN：输入电源的正连接，输入电压范围为3.3V至6V，与J2（GND）配合使用，输入引线应尽量短且绞合。
• J2 - GND：输入电源的返回连接。

2. LDO输入连接器

• J3 - VINLDO/GND：为LDO1、LDO2和VDD_ALIVE提供输入电源，可直接连接VIN或VDCDC1，使用外部电源时需移除R1和R2。

3. 输出连接器

• J4 - VDCDC1：DCDC1降压转换器的正输出，输出电压可通过JP8选择3.3V或2.7V，也可通过外部电压分压器R12和R13调节，最大输出电流为1600mA。
• J6 - VDCDC2：DCDC2降压转换器的正输出，输出电压可通过JP9选择2.5V或1.8V，也可通过外部电压分压器R14和R15调节，最大输出电流为800mA。
• J8 - VDCDC3：DCDC3降压转换器的正输出，默认输出电压为1.2V，最大输出电流为800mA。
• J10 - VDLO1：LDO1线性稳压器的正输出，默认输出电压为2.5V，最大输出电流为200mA。
• J12 - VDLO2：LDO2线性稳压器的正输出，默认输出电压为1.4V，最大输出电流为200mA。
• J14 - VDD_ALIVE/GND：LDO3 VDD_ALIVE的正输出，输出电压固定为1.0V，最大输出电流为30mA。

4. 控制跳线

• JP1 - EN_DCDC1：控制DCDC1的启用和禁用。
• JP2 - EN_DCDC2：控制DCDC2的启用和禁用。
• JP3 - EN_DCDC3：控制DCDC3的启用和禁用。
• JP4 - EN_LDO：控制LDO1和LDO2的启用和禁用。
• JP6 - MODE：选择DCDC1、DCDC2和DCDC3的工作模式（PWM或PSM）。
• JP7 - EN_VDD_ALIVE：控制VDD_ALIVE的启用和禁用。
• JP8 - DEF1：选择DCDC1的默认输出电压。
• JP9 - DEF2：选择DCDC2的默认输出电压。

五、EVM组装图纸和布局

TPS650250EVM采用4层、1oz覆铜的电路板，尺寸为2.2”×3.3”。文档中提供了EVM的顶部组装图、顶部丝印图、顶部铜层图、第2层（接地平面）图、内部第3层图和底部层图，方便工程师进行设计和调试。

六、物料清单

文档中列出了EVM的物料清单，包括电容、电感、电阻、连接器、芯片等元件的型号、数量和制造商。需要注意的是，部分组件（如标记有星号的组件）不能替换，其他组件可使用等效的制造商组件。

七、总结

TPS650250EVM为锂离子供电系统提供了一个全面的电源管理解决方案。其丰富的功能和可调节性使其适用于多种应用场景。通过合理使用连接器、跳线和修改电路，工程师可以根据具体需求定制电源管理方案。在实际设计中，我们需要根据应用的要求仔细选择和调整参数，以确保系统的性能和稳定性。你在使用类似电源管理方案时遇到过哪些问题呢？欢迎在评论区分享你的经验。