【方案介紹】
         在使用51單片機做開發(fā)設計的年代，一個7805電源管理芯片是比不可少的東西，這個最大輸出電流可達1A的線性穩(wěn)壓器是我們剛開始學51時最先接觸到的電源芯片，另外一個就是赫赫有名的117/1117，這些芯片因為價格便宜而應用非常廣泛，但在設計產品中，也發(fā)現其一些不足，效率低，容易受干擾，容易被燒壞。隨著MCU架構的不斷升級，設計的復雜度提高，慢慢地開始喜歡應用LM2575/LM2576/LM2596這些開關電源芯片。對于51核心的控制板，單電源方案中，一個電源芯片的選擇非常重要，穩(wěn)定性，工作溫度，紋波，防護性都要去考慮?，F在的MCU升級到3.3V電源供電，1.8V供電，功耗越來越低，性能越來越好，選擇合適的電源芯片對這些高性能的MCU來說，非常關鍵！我們知道，一般的控制設備接入的是12V直流電或24V直流電甚至到36V直流電，36V以上的就屬于高壓電了，就得單獨考慮了。對于5V供電系統(tǒng)，采用上面的一片電源芯片就可以解決，成本也不會高。但對于3.3V、1.8V甚至1.5V、1.2V的電源系統(tǒng)，采用24V或12V直接轉換的方式的電源芯片可以實現，但成本會超出很多預算，通常的做法就是采用二級電路或多級電路，首先將12V或24V降壓到5V，然后再將5V降壓到3.3V、1.8V、1.5V和1.2V再用。因為現在5V供電的器件非常多，降到到5V后，可以滿足部分器件的供電需要。由5V降壓到3.3V或更低的，這樣低成本的方案采用LDO即可，采用開關電源芯片成本也不高。
由此可見，從12V或24V降到5V的這一環(huán)節(jié)非常重要，這里可以選擇的芯片方案眾多，有采用散熱片的，有采用芯片散熱盤的，在這里，跟大家分享一個非常不錯的12V降到5V的芯片解決方案。這個芯片就是TI的TPS54229E芯片。

TPS54229E是一款自適應接通時間 D-CAP2 模式同步降壓型轉換器。它為系統(tǒng)設計人員提供了一個低成本、低組件數量和低待機電流的解決方案，來完成各種終端設備的電源總線調節(jié)器套件的設計。TPS54229E 的主控制環(huán)路采用 D-CAP2 模式控制，無需外部補償組件便可實現快速瞬態(tài)響應 。自適應接通時間控制可在更高負載狀態(tài)下的 PWM 模式與輕負載下的Eco-mode™ 工作之間實現無縫轉換。Eco-mode™ 使TPS54229E 能夠在較輕負載狀況下保持高效率。此外，TPS54229E的專有電路還使這個設備能夠采用諸如 POSCAP 或 SP-CAP 等低等效串聯(lián)電阻 (ESR) 輸出電容器以及超低 ESR 陶瓷電容器。該器件的工作輸入電壓為：4.5V—18V, 輸出電壓可在0.76 V與 7 V 之間進行編程。此外，該器件還支持可調軟啟動時間。TPS54229E用了8-引腳DDA封裝，占用PCB空間較小，設計工作溫度范圍為 –40°C 到 85°C，可以滿足一般工業(yè)控制設備的應用，它價格在7元左右，適合用于中端控制設備。

它的特性如下：
1、D-CAP2 模式支持快速瞬態(tài)響應；
2、低輸出紋波并支持陶瓷輸出電容器；
3、寬 VIN 輸入電壓范圍： 4.5 V至 18 V；
4、輸出電壓范圍： 0.76V 至 7.0 V；5、高效率集成型 FET；
6、針對更低占空比應用進行了優(yōu)化 ；
7、支持 160 m? （高側）與 110 m? （低側）MOSFET；
8、高初始帶隙參考精度；
9、可調軟啟動；
10、預偏置軟啟動；
11、650-kHz 開關頻率 (fSW) ；
12、逐周期限流；
13、自動跳躍Eco-mode以實現輕負載時的高效率；下面是它的原理框圖：
                                       

    

其中，輸出電壓是可以調節(jié)的，計算公式如下：
                                                   

下面是利用TIWEBENCH工具生成LM2596芯片方案的過程：
       步驟一 開啟設計
首先點擊工具圖標左上角的【電源】及紅色字體【開始設計】，如下圖：
                                                                    

步驟二  參數設置
點擊上面的開啟設計后，系統(tǒng)會載入FLASH界面，并出現下面的默認設計界面：

     

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

在上面的設置參數里面進行設置，選擇【DC】，最小輸入電壓=最大輸入電壓=12V,輸出電壓：3.3V,輸出電流：0.5A,工作溫度：30℃。如下圖：

                                          

   點擊綠色按鈕【重新計算】后，生成了296個芯片方案，在方案中，找到TPS54229E這個方案，如圖：

                                       

通過方案預覽功能，我們可以看到，工具支持原理圖導出，帶原理圖，BOM面積、成本和效率都有，點擊綠色按鈕【開啟設計】。生成的設計界面如下圖：
                                                

2013-9-27 11:40 上傳

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這個界面給了我們更多的設計信息。
步驟三  生成設計報告及導出原理圖
點擊方案界面的【EXPORT】按鈕，可以導出原理圖，這里選擇常用的AD格式，點擊【Design Document】按鈕，可以導出完整的設計報告，反復試了幾次，該設計報告無法下載，這里只導出了原理圖和BOM EXCEL表格供參考。
下面是系統(tǒng)生成的原理圖、效率圖、工作數值和BOM表的截圖：

                                                        

                                                          

                                                            

                       

   通過效率圖可以看出，方案整體效率在輸出電流=0.05A時，已經能達到90%以上，當輸出最大0.5A時，效率最高可達93.909%。下面的截圖是工作數值和BOM表清單:

                                                         

                                                         

          通過上面的圖表內容，我們可以看到，TPS54229E芯片方案整體效率最高：93.909%。BOM元件數量：11個，成本：1.52美元，約9.6元，其中TPS54229E成本0.9美元，加上稅率在7元左右，意味著10元就能得到一個高效率的開關電源方案，是非常合適的。這個是理論的方案，那么這個芯片的實際表現如何呢？讓我們對它來一個實際測試吧：      【TPS54229E實際測試過程】
對于此芯片，理想工作狀態(tài)是：VIN=12V,工作溫度25℃。官網上有一個TPS54229EEVM的評估模塊，專門用于客戶評估TPS54229E芯片的性能。本人有幸得到了這么一個評估板，見下面圖片：

                                       

                                       

圖片中紅色圈起來的就是TPS54229E，該評估模塊帶有兩個接線端子，一個跳線開關，用于使能芯片功能。此評估模塊的電路原理圖如下：
                                

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   這個評估模塊的默認輸出電壓是: V=1.05V，可以通過調節(jié)R1和R2的阻值來得到不同的輸出。默認情況下的測試圖如下：
                                                      

  上面的圖片是默認情況下，空載輸出，測試電壓如圖，VOUT=1.0592V。

為了實現5V的電源輸出，需要計算一下R1和R2的阻值，并對板子上的電阻進行替換。在TPS54229EEVM的說明書中，寫明：“For higher output voltages of1.8 V or above, a feedforward capacitor (C4) may be required to improve phasemargin.”,意思是，要想輸出1.8V以上的電壓，必須把原理圖中R1下面的C4焊上才行，默認是不焊接的。這個是說明書中自帶的輸出電壓的阻容配置方案表：如下圖：

通過此表，我們可以看到,當VOUT=1.05V時，R1=8.25K歐,R2=22.1K歐；當VOUT=5V時，需要R1=124K歐，R2=22.1K歐，C4=5-22PF。按照上面那個公司：VOUT=0.765*(1+R1/R2)進行計算，發(fā)現R1/R2=5/0.765-1≈5.536，而按照這個表計算：R1/R2=124/22.1≈5.61。這個比值還是有誤差的,比公式值計算稍大一點。這個板子上焊的是0603封裝的電阻和電容，22PF電容有，但124K的電阻確難找，于是乎，將【電阻值/10】作為比值使用。這里采用了一個12K的電阻，另外找了一個2.2K和一個2K的電阻，這樣得到的比值分別為：R1/R2=12/2.2≈5.45; R1/R2=12/2=6，第一個組合比值比5.536小0.086，輸出應該比較接近，大約5V；第二個組合比值比5.536大0.464，誤差大很多，輸出應該大于5V，經過實際測試，驗證了猜想結果：
     下面兩個圖分別是在R1=12K,C4=22PF的情況下，R2=2.2K和R2=2K的測試圖：
                                                        

    當R2=2.2K歐時，VOUT= 4.9539V≈5V

                                             

當R2=2K歐時，VOUT=5.3722V>5V，為了確認，用另外一個表測試了一下，VOUT=6.34，這個表誤差大，平時測量5V的USB電壓都在5.9V左右，減去這個誤差，可以認為兩個表的測試結果一致。
鑒于這種情況，果斷換下2K,重新?lián)Q上2.2K的電阻，進行帶負載測試。因為帶載測試的目的是為了驗證實際效率和設計方案中的效率差距大小，這里僅進行一個負載進行實驗比較，沒有進行多個負載的效率比較。剛開始選擇了一個MSP430板卡，結果上電后，發(fā)現輸入和輸出功率都非常小，MSP430的低功耗在這里顯現出來了，呵呵、后來又增加了4個功率電阻作為負載測試，測試圖如下：
輸入端電壓和電流測試圖：

                                                         

  

                                                       

   

這里沒有采用可調電源的度數，是因為兩者測量的儀器不統(tǒng)一，可調電源顯示的數字輸出值是其設備對電壓測量的結果，這里統(tǒng)一采用萬用表進行測算才是正確的。通過上面兩個圖我們可以看到，這里的輸入電壓：Vin=12.126V，Iin=0.0916A，那么輸入功率大?。?br>       Pin = Vin* Iin=12.126*0.0916=1.1107416W。
     輸出端電壓和電流測試圖：
                                                     

 

  通過上面這兩個圖我們可以看到，這里的輸出電壓：Vout=4.9761V，Iout=0.1982A，那么輸出功率大小：
         Pout= Vout* Iout=4.9761*0.1982=0.98626302W。  
       最后我們可以得到這個開關電源在輸出電流Iout≈0.2A時的轉換效率；
                               η= Pout/ Pin=(0.98626302/1.1107416)*100%≈ 88.793%;
       而利用TI WEBENCH平臺得到的芯片方案中，效率圖表如下：
                                   

從圖表上我們可以看大，當Vin=12V,Iout=0.2A時，η=93.415%。這個實際效率和理論效率差接近5個百分點，這個當然是由于評估板本身芯片和器件要消耗一部分能量了，在實際設計時，也會遇到這種情況的。
當然，上面的測試只是一個點測試，如果要系統(tǒng)的比較，這個要耗費太多的時間，也沒有那個意義了。
總結，從實際測試效果看，采用TPS54229E芯片的12V到5V芯片方案效率高、穩(wěn)定性好，是個非常不錯的電源選擇方案。對于一般應用而言，5V到3.3V的LDO可以采用AMS117這種1元的芯片。這樣總體成本在10元左右就可以實現一個多功能控制板的理想電源方案了！
     

2013-9-27 11:41 上傳

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