TPL5110 — наноамперный таймер TI для периодического включения питания

Выводы

Даташит подписывает корпус как «6-Lead SOT-23», но в приложении это SOT-23-THIN (DDC) по чертежу DDC0006A — тонкий корпус высотой до 1,1 мм, размеры и посадочное место — на странице TSOT-23-6. Выводы 1–3 идут вдоль одной стороны, 4–6 — вдоль другой.

Параметры

Электрические характеристики (с. 5–6 даташита): TA = 25 °C, VDD = 2,5 В, если не указано иное.

Предельные режимы: питание −0,3…6 В, любой вывод от −0,3 В до VDD + 0,3 В, ток вывода ±5 мА, кристалл до 150 °C. Устойчивость к ESD скромная — 1000 В по модели тела человека и 250 В по модели заряженного прибора, поэтому при монтаже нужны антистатические меры. θJA — 163 °C/Вт. По питанию TI рекомендует керамический конденсатор 0,1 мкФ X7R.

Как работает: DRV, DONE и режимы

После подачи питания TPL5110 один раз измеряет резистор на DELAY/M_DRV, затем по уровню EN/ONE_SHOT выбирает режим.

• Периодический режим (EN/ONE_SHOT = HIGH). В начале каждого интервала tIP выход DRV опускается — ключ открывается, нагрузка получает питание. По фронту DONE выход DRV поднимается и ключ закрывается. Если DONE не пришёл, DRV поднимается сам за 50 мс до конца интервала, чтобы ключ успел закрыться до следующего цикла. Из нескольких DONE за интервал учитывается только первый.
• Однократный режим (EN/ONE_SHOT = LOW). Импульс DRV выдаётся один раз после включения питания TPL5110, дальше — только по ручному включению.
• Ручное включение. Высокий уровень на DELAY/M_DRV длительностью не меньше 20 мс (окно наблюдения 30 мс) открывает ключ в течение 10 мс и сбрасывает счётчики; длительность включения та же, что у интервала. Если DRV уже LOW, кнопка игнорируется, а DONE, пришедшие, пока кнопка нажата, не учитываются. Из-за асинхронности длительность импульса DRV может отличаться примерно на ±5 мс.

Кнопку подключают двумя способами (рис. 13 и 14): кнопка между DELAY/M_DRV и VDD — проще, но пока она нажата, через резистор интервала течёт VDD / REXT; переключатель на два положения, который переводит вывод с резистора на VDD, тока не тратит.

Схема с ключом питания

DRV = LOW открывает ключ, поэтому в плюсовом проводе ставят p-канальный MOSFET: исток — к батарее (к тому же VDD, что питает TPL5110), сток — к стабилизатору или нагрузке, затвор — к DRV. В примере TI (рис. 15) DRV вместо транзистора управляет входом разрешения повышающего преобразователя — так тоже можно, если вход включения у преобразователя активен низким уровнем.

Наши выводы по выбору ключа и обвязки:

• Высокий уровень DRV не превышает VDD, поэтому ключ закрыт полностью, только если его исток подключён к тому же напряжению, что и VDD таймера. Питать TPL5110 от одной шины, а коммутировать другую, более высокую, нельзя без дополнительного каскада.
• Нужен p-канальный MOSFET с логическим управлением: пороговое напряжение заметно меньше напряжения батареи, иначе при разряде до 2,5–3 В ключ откроется не полностью. Его ток утечки в закрытом состоянии нужно сравнивать с 35 нА самого таймера — у многих транзисторов он больше.
• Пока микроконтроллер обесточен, его вывод не держит уровень, а DONE — обычный вход КМОП. Стоит притянуть DONE к земле резистором, чтобы помеха не дала ложного фронта.
• Сигналы от обесточенной части схемы на выводы TPL5110 не должны превышать VDD + 0,3 В — это предельный режим.

Готовые ключи нагрузки с управлением логическим уровнем, вроде TPS22918, тоже подходят, но их вход включения активен высоким уровнем, а DRV TPL5110 — низким, поэтому понадобится инвертор.

Расчёт резистора и точности

Сопротивление считают по уравнению 1 даташита:

$R_\text{EXT} = 100 \cdot \frac{-b + \sqrt{b^2 - 4a\,(c - 100\,T)}}{2a}$

где T — интервал в секундах, R_EXT — в омах, коэффициенты из табл. 1 зависят от диапазона.

Интервалы меньше секунды — кратные 100 мс, для них резистор равен 500 Ом × число десятых долей секунды (табл. 2). Обратный пересчёт — уравнение 3: интервал $T_\text{ADC} = \text{INT}\left[\tfrac{1}{100}\left(aR_D^2 + bR_D + c\right)\right]$, где R_D = R_EXT/100.

Наш расчёт: датчик передаёт данные раз в 10 минут.

• T = 600 с — набор 4: R = 100 × (56,2407 + √(56,2407² − 4 × 0,2617 × (5957,7934 − 60 000))) / (2 × 0,2617) ≈ 57,44 кОм — совпадает с табл. 3. Ближайшая пара 1 % из таблицы — 107 кОм и 124 кОм параллельно, 57,437 кОм. Не все пары таблицы так точны: для 30 мин нужно 92,43 кОм, а пара 182 и 187 кОм даёт 182 × 187 / 369 ≈ 92,23 кОм (наш расчёт; в соседнем столбце табл. 3 так и стоит 92,233) — на 0,2 % меньше, и интервал выйдет чуть короче 30 мин.
• Допуски: при отклонении сопротивления на ±0,82 % (так оценивает TI) резистор лежит в пределах 56,96–57,90 кОм; по уравнению 3 это 588,3 и 611,3 с, то есть интервал отклоняется от заданного на −1,95…+1,88 %. Квадратичная зависимость делает ошибку несимметричной.
• Ток: микроконтроллер с радиомодулем потребляет 20 мА в течение 2 с раз в 600 с — в среднем 20 × 2 / 600 ≈ 67 мкА. Вклад TPL5110 — 35 нА, около 0,05 %. Однократное чтение резистора (200 мкА × 0,1 с) — заряд 20 мкКл, доля секунды работы радиомодуля.

Наш вывод: в такой схеме средний ток определяется только активной фазой и утечкой ключа, поэтому сокращать надо время работы микроконтроллера. Время работы от батареи по среднему току посчитает калькулятор «Время работы от батареи», а сложить токи всех узлов поможет «Бюджет питания».

TPL5110 и таймер 555

Значения TLC555 — из карточки NE555 и TLC555. Наш вывод: КМОП-таймер 555 потребляет в тысячи раз больше, а интервал в десятки минут на RC-цепи нестабилен из-за утечки и допуска электролитического конденсатора. TPL5110 решает одну задачу — периодически включать и выключать питание, — и для неё он удобнее; генератор импульсов или ШИМ на нём не построить.

Расхождения в документации

• Коэффициент c в примере. Уравнение 2 (пример на 8 с) подставляет c = −2561,8889, а в табл. 1 для набора 2 стоит −2651,8889. Наш расчёт: результат 10,18 кОм из примера и из табл. 3 получается только с табличным −2651,8889, с −2561,8889 вышло бы около 9,76 кОм.
• Нижняя граница интервала в примере с допусками. Для REXT_MIN = 56,96 кОм даташит приводит TADC_MIN = 586,85 с и ошибку +2,19 %. Наш расчёт по уравнению 3 с коэффициентами набора 4 даёт 588,3 с (+1,95 %); верхняя граница 611,3 с (−1,88 %) совпадает. В ревизии A уравнения TADC и RD меняли — видимо, пример считали по старым.
• Оценка допуска пары резисторов. Уравнение 4 складывает в квадратуре относительные неопределённости двух резисторов без весов и даёт 0,82 % для пары 1 %. Наш вывод: для параллельного соединения вклад каждого резистора пропорционален доле тока через него, и для пары 107 и 124 кОм та же формула с весами даёт около 0,41 %. Оценка TI получается вдвое осторожнее — для расчёта худшего случая это не вредно.
• Точность таймера. На с. 1 обещана точность «1 % (Typical)», а в таблице — ±0,6 % тип. для установки интервала и ±0,5 % для генератора. Для интервалов меньше 1 с примечание 5 даёт ±100 мс — сравнимо с самим интервалом 100 мс.
• Длительность импульса в однократном режиме. Раздел 7.4.3 говорит, что импульс DRV длится весь заданный интервал, а раздел 7.3.1 и таблица — tIP − 50 мс.
• Корпус. Таблица на с. 1 называет корпус «SOT23 (6), 3,00 × 3,00 мм», рисунок выводов — «6-Lead SOT-23», а приложение и чертёж — SOT-23-THIN (DDC0006A).