Embedded Systems 嵌入式系統(tǒng)EmbeddedSystems 752006.12基于 TPS7350 的智能車電源設(shè)計 *Power Design of Intelligent Vehicle Based on TPS7350東北大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院 王明順 沈謀全摘 要 ： 針對智能車與其它便攜式移動設(shè)備的特定要求， 來探討電源管理 （電源調(diào)節(jié)） 器件的使用問題。 在對線性調(diào)整電源器件 78XX 、 串聯(lián)開關(guān)電源器件 LM2575/2576 及低壓差線性電源器件 TPS73XX 的應(yīng)用特性進行比較的基礎(chǔ)上，引出了 TPS73XX 系列器件具有諸多應(yīng)用特點， 通過 TPS7350 在電池供電的智能車系統(tǒng)中應(yīng)用實例， 驗證 TPS7350在便攜式移動設(shè)備上使用的優(yōu)越性。 通過靈活使用 TPS73XX 系列芯片， 可為小功率的便攜式移動設(shè)備提供簡潔的設(shè)計方案， 并可滿足不同系統(tǒng)的應(yīng)用需求。關(guān)鍵詞 ： TPS7350 ； 電源設(shè)計 ； 智能車圖 1 TPS73XX 的內(nèi)部框圖 圖 2 TPS7350 的典型應(yīng)用原理圖電源調(diào)節(jié)器件通常使用最多的是線性穩(wěn)壓器件 ( 如 78xx 系列三端穩(wěn)壓器件 ) 。 雖然這種線性穩(wěn)壓器具有輸出電壓恒定或可調(diào)、 穩(wěn)壓精度高的優(yōu)點， 但是由于其線性調(diào)整工作方式在工作中會造成較大的 “熱損失” ( 其值為 V 壓降 I 負荷 ) ， 導(dǎo)致其電源利用率不高、 工作效率低下， 不易達到便攜式設(shè)備對低功耗的要求。與線性穩(wěn)壓器件相比， 開關(guān)電源調(diào)節(jié)器以完全導(dǎo)通或關(guān)斷的方式工作 ,通過控制開關(guān)管的導(dǎo)通與截止時間，有效的減少工作中的 “熱損失”， 保證了較高的電源利用率。 開關(guān)管的高頻通斷特性以及串聯(lián)濾波電感的使用對來自于電源的高頻干擾具有較強的抑制作用。 同時由于其低功耗特點， 在進行電路板設(shè)計時， 可以減少散熱片的體積和 PCB 板的面積， 有時甚至不需要加裝散熱片， 方便了電路設(shè)計與使用，但是由于其工作壓降要求在 1.0V 以上，卻限制了該類型開關(guān)電源在某些便攜式移動設(shè)備上的使用。針對線性穩(wěn)壓電源與開關(guān)電源存在較高工作壓降的問題使得這兩類電源調(diào)節(jié)器件不易廣泛應(yīng)用于便攜式移動設(shè)備中， 我們采用了一種低壓差線* 本智能車設(shè)計獲 2006 年第一屆 “飛思卡爾” 杯全國智能車邀請賽第 10 名。Embedded Systems嵌入式系統(tǒng)EmbeddedSystems76 2006.12 表 1 7805 、 LM2576 及 TPS7350 的性能比較圖 3 微處理器的工作電壓原理圖 圖 4 舵機工作電壓原理圖性電源芯片 TPS73XX 來作為智能車的電源調(diào)節(jié)器件。 TPS73XX 具有輸入電壓范圍大， 過熱、 過流及電壓反接保護，輸出電流為 150mA 時壓差小于 0.1V 等特點， 特別是當(dāng)其輸出電流為 100mA 時，壓差僅僅為 0.035V ， 如 TPS73XX 系列中的 TPS7350 可保證電池電壓在 +7V +5.1V 范圍內(nèi)變化時， 輸出穩(wěn)定的 5V 電壓 , 顯著的提高了電源的利用效率。TPS73XX 概述TPS73XX 是美國 TI 公司生產(chǎn)的微功耗、 低壓差電源管理芯片， 它具有節(jié)電關(guān)斷模式與輸出電壓監(jiān)控功能， 極低的靜態(tài)電流且不隨負載變化 ； 集成延時微處理器復(fù)位功能保證系統(tǒng)的正常工作 ； 具有完善的保護電路 , 包括過熱、 過流及電壓反接保護。 利用該器件只需極少的外圍器件便可構(gòu)成高效穩(wěn)壓電路。 TPS73XX系列含有五種固定輸出電壓的穩(wěn)壓器 ：TPS7325(2.5V),TPS7330(3.0V), TPS7333(3.3V),TPS7348(4.85V) 與 TPS7350(5.0V) 。 該系列還有一種可調(diào)穩(wěn)壓器TPS7301(1.2V 9.75V), 此外還提供了工作狀態(tài)的外部控制引腳。TPS73XX 系列開關(guān)穩(wěn)壓集成電路的主要特性如下 :有 2.5V 、 3V 、 3.3V 、 4.85V 與 5V這幾種固定輸出型與一種可調(diào)輸出型器件 ；集成的精密電源電壓監(jiān)控器， 可對穩(wěn)壓器的輸出電壓進行監(jiān)控 ；低電平有效的復(fù)位信號， 脈沖寬度為 200ms ；極低壓差 I 0 =100mA 時， 最大值為 35mV ；低靜態(tài)電流與負載無關(guān)典型值為 340uA ；極低的休眠狀態(tài)電流最大值為0.5uA ；在整個負載、 電源與溫度范圍內(nèi)，固定輸出型器件的容積為 2% ； 輸出電流范圍為 ： 0mA500mA ；在要求嚴格的應(yīng)用中， TSSOP 封裝可降低元件的高度。TPS73XX 的內(nèi)部框圖如圖 1 所示。由于 TPS73XX 系列產(chǎn)品采用 PMOS 工藝， 保證了該器件在全負載范圍內(nèi)極低的工作電流， 甚至在穩(wěn)壓器下降時也能保證其低靜態(tài)電流不變的特點。TPS73XX 的內(nèi)部比較器監(jiān)控穩(wěn)壓器的輸出電壓， 以此來檢測欠壓情況。 正因為該電路監(jiān)控著穩(wěn)壓器的輸出電壓，RESET 輸出端也可以通過禁止穩(wěn)壓器或者通過任何導(dǎo)致輸出電壓下降到低于 V IT 的故障條件來觸發(fā)。 這些故障情形包括， 輸出端的短路或輸入電壓低。一旦輸出電壓被重新配置， 無論是通過重新使能穩(wěn)壓器還是通過排除故障條件， 內(nèi)部定時器都會被啟動， 這樣就會使 RESET 信號在 200ms( 典型值 ) 的超時周期內(nèi)處于有效狀態(tài)， 將該RESET 引腳接至微處理器的復(fù)位端，可在微型計算機與微處理器系統(tǒng)中啟Embedded Systems 嵌入式系統(tǒng)EmbeddedSystems 772006.12動一次復(fù)位操作， 實現(xiàn)電源電壓的復(fù)位。 使用該復(fù)位操作， 不僅能夠保證系統(tǒng)的穩(wěn)定與可靠工作， 而且減少外部復(fù)位電路的設(shè)計。 在對輸出噪聲有嚴格要求的應(yīng)用場合， 選用 TPS73XX 是最佳選擇， 其噪聲頻譜密度低于， 該穩(wěn)壓器不僅可安全的傳導(dǎo)反向電流。 同時還具有內(nèi)部電流限制與熱保護功能。 在正常工作期間，TPS73XX 將輸出電流限制在 1A 左右。在電流受到限制時， 輸出電壓按線性規(guī)律反比例變化， 直到過流情況結(jié)束為止。性能比較為了能夠更好的說明 TPS73XX 在實際應(yīng)用中的優(yōu)點， 表 1 比較了在相同溫度、 相同輸出電壓 （ +5V ） 條件下7805 、 LM2576 及 TPS7350 的性能。通過表 1 可以看出， 在相同的輸出條件下， TPS7350 具有更低的工作壓降和最小的靜態(tài)工作電流， 也就體現(xiàn)了其低功耗的優(yōu)點。 在智能車控制系統(tǒng)中， 由于系統(tǒng)電源為電池供電， 自然TPS7350 也就成為電源調(diào)節(jié)器件的首選。應(yīng)用舉例2006 年第一屆 “飛思卡爾” 杯全國智能車邀請賽的電源為 7.2V/2Ah 的鎳鎘電池組， 由于直流電機在高速運行時的電流達到 4A 。 當(dāng)直流電機運行半個小時左右， 測得的電源電壓在+6.5V +7.0V ， 而微處理器的輸入電壓要求為穩(wěn)定的 +5V ， 如果選用 7805 線性電源管理芯片， 由于工作壓降要求在 1.7V 以上， 也就是如果使 7805 輸出+5V 電壓， 那么輸入電壓至少在 +6.7V以上， 否則不易保證穩(wěn)定的 +5V 電壓輸出， 也就很難保證微處理器的正常工作。 由于其高壓差因素， 如果使用 7805 ，那么還應(yīng)該考慮電源散熱問題， 使得整個系統(tǒng)的設(shè)計復(fù)雜且不能保證系統(tǒng)的有效工作時間。 如果采用開關(guān)電源LM2575/2576 ， 雖然有較高的電源使用效率， 但同樣存在著工作壓降在 1V 以上的問題， 縮短了系統(tǒng)的有效工作時間。 而對于低壓差線性電源 TPS7350 在輸出電流為 100mA 時的最大壓降只有35mV ， 因此在本智能車系統(tǒng)中電源管理芯片選用 TPS7350 可以使電池獲得相對更長的使用時間。 也正因為如此，整個智能車控制系統(tǒng)的電源管理都是圍繞 TPS7350 的使用而展開。使用 TPS7350 作為系統(tǒng)的電源管理芯片的優(yōu)點如下 ：只需要很少的外圍器件即可以達到應(yīng)用系統(tǒng)的要求， 實現(xiàn)穩(wěn)定的電壓輸出。 使用該芯片的典型電路如圖 2 所示 ；由于 “熱損失” 小， 在設(shè)計中基本可以不用考慮電源芯片的散熱問題，為電路的設(shè)計帶來了方便。為了使 TPS7350 的工作性能最佳，在設(shè)計中應(yīng)該注意以下問題 ：SENSE 端的連接問題為了使穩(wěn)壓器正常工作， 固定輸出器件的 SENSE 端必須連接到穩(wěn)壓器的輸出端， 并且這種連接應(yīng)盡可能短，這樣可以最小化或避免噪聲拾取。 不推薦在 SENSE 端與 OUT 端之間加一 RC網(wǎng)絡(luò)來消除噪聲， 否則， 可能會導(dǎo)致穩(wěn)壓器振蕩。對外部電容的要求TPS7350 通常不需要輸入電容， 但是當(dāng) TPS7350 位于電源幾英寸遠的地方時， 使用陶瓷旁路電容可以改善負載瞬態(tài)響應(yīng)與噪聲抑制功能。 為了保持輸出電壓的穩(wěn)定性， 通常在輸出端與地之間加一個 10uF 的固態(tài)鉭電容就足以保證全負載范圍內(nèi)器件的穩(wěn)定性。針對智能車控制系統(tǒng)對電源部分的特殊要求， 整個智能車系統(tǒng)的電源管理可分為微處理器的電源、 舵機電源與 CCD 圖像傳感器的工作電源等，圖 5 TPS7350 的擴流使用原理圖Embedded Systems嵌入式系統(tǒng)EmbeddedSystems78 2006.12 其中， 微處理器電源與舵機電源是利用 TPS7350 經(jīng)過處理得到的。 另外， 為了滿足某些應(yīng)用對象的大電流特性，也給出了相應(yīng)的解決方案， 其具體應(yīng)用如下所述。1) 微處理器的電源HCS12DG128B 單片機是整個智能車控制系統(tǒng)的核心， 要求工作電壓為穩(wěn)定的 +5V ， 其供電電源的穩(wěn)定性直接影響智能車系統(tǒng)的工作性能。 這里使用一片 TPS7350 即可滿足其應(yīng)用要求，具體的電路圖如圖 3 。由于直流電機在高速運行時的大電流特性， 使得供電電源被嚴重污染。為了解決紋波對 TPS7350 輸入電源的影響， 在輸入端采取了濾波措施， 即在輸入端增加了大電容與大電感組成的LC 濾波電路， 可以有效將紋波的影響降到最低， 以期將直流電機的輸出紋波對電源的影響降到最小。由于 TPS7350 集成了電源復(fù)位功能， 圖 3 中的 RESET 引腳連至HCS12DG128B 的復(fù)位引腳， 從而使得在智能車的復(fù)位電路設(shè)計不需要另加專用復(fù)位芯片 （如通常使用的MC34064 ）， 降低了系統(tǒng)的硬件成本，簡化了電路設(shè)計。2) 舵機電源由于舵機在智能車控制系統(tǒng)中的特殊地位， 其響應(yīng)時間對于控制轉(zhuǎn)向的靈活性非常重要。 影響舵機工作性能的兩項重要參數(shù)工作速度與堵轉(zhuǎn)力矩均與電壓有關(guān)， 因此舵機工作電壓的選擇對智能車轉(zhuǎn)向控制的影響是不言而喻的。通常有兩種方式可以加快舵機的響應(yīng)時間， 一種方式是通過修改 PWM周期 ； 另一種方式是通過機械方式， 利用舵機的輸出轉(zhuǎn)矩余量， 將角度進行放大， 從而加快舵機的響應(yīng)速度。 為了使舵機的工作性能最佳， 在不改變舵機機械結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上， 將舵機的工作電壓設(shè)定為 +6V 也是一種行之有效的解決辦法。 然而 TPS7350 的輸出電壓為+5V ， 為了實現(xiàn) +6V 輸出， 需要在圖 3的基礎(chǔ)上增加 2 個二極管， 提高對地參考電位， 即可滿足穩(wěn)定 +6V 輸出的要求， 體現(xiàn)了使用 TPS7350 進行電路設(shè)計的簡潔性。 經(jīng)我們在智能車上的實際使用證明了該方法的可行性。3) 大電流輸出模式在某些便攜設(shè)備中， 由于需要較大的輸出電流， 如果采用單個TPS7350 ， 由于其輸出電流不超過500mA ， 可能滿足不了系統(tǒng)的要求， 這時可以使用多片 TPS7350 并聯(lián)的方案。 在使用多片 TPS7350 并聯(lián)時， 只需要將每個 TPS7350 的輸出端連接在一起， 即可以實現(xiàn)增大輸出電流的目的。 這里給出了期望輸出電流在 0mA 至 1000mA 情況下兩片 TPS7350 并聯(lián)使用的電源解決方案， 具體電路圖如圖 5 所示。 我們已成功的將該解決方案應(yīng)用于一種便攜式移動設(shè)備中。2006 年 8 月， 在清華大學(xué)舉辦的第一屆 “飛思卡爾” 杯全國智能車邀請賽中， 我們的智能車電源部分的 PCB 板實物圖如圖 6 所示， 該設(shè)計為我們的智能車提供了良好的動力。結(jié)語通過三種電源管理芯片的比較可以看出， 低壓差線性電源 TPS7350 具有諸多應(yīng)用特點， 通過 TPS7350 在電池供電的智能車系統(tǒng)中的應(yīng)用實例， 驗證TPS7350 在便攜式移動設(shè)備上使用的優(yōu)越性。 通過靈活使用 TPS73XX 系列芯片， 可為小功率的便攜式移動設(shè)備提供簡潔的設(shè)計方案， 并可滿足不同系統(tǒng)應(yīng)用需求。 參考文獻 ：1. 王明順 , 基于 LM2576 的高可靠 MCU 電源設(shè)計 J, 國外電子元器件,2004,11:12-14.2.TPS7301Q, TPS7325Q,TPS7330