時(shí)域反射儀的硬件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)----關(guān)鍵電路設(shè)計(jì)(四)
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本系統(tǒng)采用電池和適配器供電兩種方式,即插上適配器以后,充電管理芯片開始工作,系統(tǒng)供電由適配器提供,此時(shí)電池處于充電狀態(tài),當(dāng)電池充滿以后電池保持在補(bǔ)足充電狀態(tài),因?yàn)殡姵乜倳?huì)漏掉少量的電量。當(dāng)取下適配器以后,充電管理器處于掉電模式,此時(shí)直接由電池為系統(tǒng)提供所需的電量。電源模塊主要完成將電池電壓,按要求轉(zhuǎn)換為多種電壓形式供給主機(jī)板。減少功耗,提高轉(zhuǎn)換效率是設(shè)計(jì)電源模塊考慮的首要因素。圖4-34給出了本設(shè)計(jì)的電源模塊框圖。
3.4.1鋰電池充電管理
系統(tǒng)采用的是可充電的鏗電池供電萬式,為保證電池的壽命以及使工作時(shí)間更長,合理的充電管理十分重要,本設(shè)計(jì)采用了一款專用的鏗電池充電管理芯片,它根據(jù)檢測到的電池的不同特性,采用不同的充電方式,既有效的完成了充電的任務(wù),同時(shí)也盡可能的延長了的電池壽命。圖4-35給出了該充電管理芯片的結(jié)構(gòu)和具體連接電路。
該芯片是一款理想的為單節(jié)、雙節(jié)、三節(jié)鏗電池或電池包而設(shè)計(jì)的高效率充電管理器,具有以下優(yōu)良特點(diǎn):
集成同步開關(guān),1.1MHz的固定頻率PWM控制器
高精度的電壓、電流控制,充電電流最高達(dá)2A
多種狀態(tài)識別,如是否插上適配器、充電中、充電完成
可配置的充電時(shí)間、充電電流。
電池溫度檢測電路,超過設(shè)定范圍時(shí)暫停充電。
可同時(shí)為系統(tǒng)供電和為電池充電。
無適配器時(shí),自動(dòng)進(jìn)入睡眠模式以降低功耗。
采用QPN封裝(3.5mm*4.5mm),占用較小的板上面積。
考慮到用戶對產(chǎn)品使用的隨意性,即電池的充電時(shí)間并不是固定的,如果通過外部電容來配置充電時(shí)間,則會(huì)影響電池的充電狀況,這是因?yàn)閷⒊潆姇r(shí)間定為一個(gè)固定時(shí)間以后,每次進(jìn)行充電時(shí),電池內(nèi)部所剩的電量并不相同,如果以
固定時(shí)間進(jìn)行充電,則有可能在定時(shí)時(shí)間到時(shí)電池并沒有充滿,因此本設(shè)計(jì)采用了動(dòng)態(tài)的充電方式,即不固定充電時(shí)間,只要電池沒有充滿,則它都會(huì)先檢測電池的電壓是否達(dá)到快速充電電壓,如果沒有則先進(jìn)行預(yù)充,此時(shí)電池電壓會(huì)逐漸上升,當(dāng)電池電壓達(dá)到快速充電電壓時(shí),采用設(shè)定的最大充電電流對電池進(jìn)行充電(恒流充電),當(dāng)電池電壓達(dá)到預(yù)設(shè)值(8.4v)后,自動(dòng)進(jìn)入補(bǔ)足充電狀態(tài),此時(shí)稱為恒壓充電,充電電流逐漸減小,直到充電結(jié)束。這種方式設(shè)計(jì)可以隨時(shí)將適配器接入,而系統(tǒng)所需的電量直接由充電管理芯片提供,同時(shí)電池也可以充電,兩者基本上相互獨(dú)立,即使是在關(guān)機(jī)狀態(tài)下,也可以給電池充電。
在充電狀態(tài)的指示設(shè)計(jì)上,僅僅使用了一個(gè)狀態(tài)指示,即適配器識別。這里將適配器的識別放在了軟件處理當(dāng)中,而沒有采用發(fā)光二極管指示的形式,具體設(shè)計(jì)如圖中所示。當(dāng)沒有接上適配器時(shí),PG ̄為高阻輸出,則ARM檢測到的電壓為3.3v,即認(rèn)為檢測到了高電平(數(shù)字1),當(dāng)電路街上適配器以后,為低電平,則二極管必然會(huì)導(dǎo)通,輸入到ARM的電壓在0.6v左右,小于高電平判定門限,因此檢測到的是低電平(數(shù)字0),在此狀態(tài)下可在屏幕上顯示充電標(biāo)志。Ts輸入端是溫度保護(hù)輸入,當(dāng)和電池塊放在一起的負(fù)溫度系數(shù)的熱敏電阻受電池溫度影響時(shí),其阻值發(fā)生變化,通過分壓電路,在TS上的電壓也會(huì)發(fā)生變化,當(dāng)電壓范圍超出VVTSB的34%--74%時(shí),充電被暫停,直到電池溫度回到正常范圍以內(nèi)。
本系統(tǒng)所使用的鏗電池塊,最高電壓為8.4v,電量為3000A,為了最大限度的利用好鏗電池,將充電電流最大定為500mA,即在快速充電情況下,而在預(yù)充電和補(bǔ)足充電情況下則為500mA,此設(shè)計(jì)方案基本上滿足了充電要求。因?yàn)殡姵胤烹姴⒉皇蔷€性放電,如果負(fù)載功耗為定值,在放電初期,電池的電壓變化不大,直到電池電壓接近6.5v左右時(shí),電池電壓就會(huì)快速下降,此時(shí)應(yīng)該停止放電,因?yàn)殓H電池過度放電也會(huì)縮短電池使用壽命。停止放電由軟件來處理,當(dāng)ARM檢測到電池電壓低于某個(gè)電壓值時(shí),就會(huì)自動(dòng)關(guān)機(jī),同時(shí)為了節(jié)省電池電量,在軟件中了設(shè)計(jì)了定時(shí)關(guān)機(jī)程序,當(dāng)用戶在一定時(shí)間內(nèi)沒有對儀器做任何操作時(shí),系統(tǒng)將在設(shè)定時(shí)間內(nèi)自動(dòng)關(guān)閉電源。
3.4.2 DC-DC轉(zhuǎn)換電路
本系統(tǒng)中各種直流電源的產(chǎn)生都是經(jīng)過專用的集成電源芯片來實(shí)現(xiàn),常用的電源芯片主要分為三類:低壓差線性穩(wěn)壓器(LDO Linear Regulators)、基于電感儲(chǔ)能的開關(guān)式DC/DC升降壓穩(wěn)壓器(Induotor Based switching Regulators)及基于電容器儲(chǔ)能的電荷泵(switched Capacitpr Regulators)。
1.LDO低壓差線性穩(wěn)壓器:應(yīng)用最簡單的穩(wěn)壓器,由于其本身存在DC無開關(guān)電壓轉(zhuǎn)換,所以它只能把輸入電壓降為更低的電壓輸出。線性低壓差穩(wěn)壓器最大的缺點(diǎn)在熱量管理方面,因?yàn)槠滢D(zhuǎn)換效率近似等于輸出電壓除以輸入電壓的值,所以當(dāng)輸出電壓與輸入電壓相差較大時(shí),轉(zhuǎn)換效率會(huì)很低,其中一部分能量轉(zhuǎn)換為熱能被消耗掉,但當(dāng)電壓差較小時(shí),情況就有所不同,例如電壓從1.5v降到1.2v,效率達(dá)到了80%.
2.開關(guān)式DC/DC(轉(zhuǎn)換器:當(dāng)輸入與輸出的電壓差較高時(shí),開關(guān)穩(wěn)壓器避開了所有線性穩(wěn)壓器的效率問題。它通過使用低電阻開關(guān)和電感等儲(chǔ)能單元實(shí)現(xiàn)了高達(dá)%%的效率,因此極大地降低了轉(zhuǎn)換過程中的功率損失。選用開關(guān)頻率高的DC心C變換器,可以極大地縮小外部電感器和電容器的尺寸和容量,如超過ZMHz的高開關(guān)頻率。開關(guān)穩(wěn)壓器的缺點(diǎn)較少,通??梢杂煤玫脑O(shè)計(jì)技術(shù)來克服,但是電感器的頻率外泄干擾較難避免,設(shè)計(jì)應(yīng)用時(shí)對其EMI輻射需要考慮。
3.電荷泵:電容式電荷泵通過開關(guān)陣列和振蕩器、邏輯電路、比較控制器實(shí)現(xiàn)電壓提升,采用電容器來貯存能量。電荷泵是無須電感的,但要外部電容器,由于其工作頻率較高,因此可使用小型陶瓷電容(1uF),以節(jié)省空間和降低成本。電荷泵僅用外部電容即可提供土2倍的輸出電壓。其損耗主要來自電容器的ESR(等效串聯(lián)電阻)和內(nèi)部開關(guān)晶體管的RDS(ON)。電荷泵轉(zhuǎn)換器沒有使用儲(chǔ)能電感,因此其輻射EMI可以忽略,輸入端噪聲可用一只小型電容濾除。電荷泵電路輸出電流較小,且輸出紋波受使用的電容器影響,轉(zhuǎn)換效率不高。
通過對上述三種電源芯片的對比,再根據(jù)系統(tǒng)的實(shí)際需要,即最主要關(guān)心的是整個(gè)系統(tǒng)在有限電t情況下的延長供電時(shí)間,節(jié)省板上面積和高的穩(wěn)定性。電源模塊主要選用了效率最高的開關(guān)式DC/DC轉(zhuǎn)換器和低壓差線性穩(wěn)壓器相結(jié)合電路,這樣既保證了電源的轉(zhuǎn)換效率,同時(shí)也為系統(tǒng)提供了穩(wěn)定的直流電源。
本電源模塊中選用了四片高效的DC/DC轉(zhuǎn)換器,分別產(chǎn)生±5v、﹢3.3v和+22V直流電壓。采用了國半的高效的LM265DC/DC轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生+5V和+3.3V電壓,LM27313升壓芯片產(chǎn)生+22V的液晶背光驅(qū)動(dòng)電壓,以及凌特公司的LT1767產(chǎn)生﹣5V電壓。LM2651具有如下特點(diǎn):
高達(dá)97%的電源轉(zhuǎn)換效率
1.5A的負(fù)載電流,從15mA到1.5A可用
4v~14V輸入電壓范圍
300KHZ的開關(guān)頻率
可調(diào)節(jié)的軟啟動(dòng)
7uA關(guān)斷電流
圖4-36給出了降壓型LM2651典型的連接電路圖。輸出電壓VOUT通過調(diào)節(jié)電阻Rl和R2的比例關(guān)系即可實(shí)現(xiàn)。由于反饋參考電壓為1.238V,則有
選擇Rl和R2的范圍在10K到1OOK之間,通過這樣調(diào)節(jié)電阻Rl和R2的值即可輸出需要的電壓值。本設(shè)計(jì)所需要的+5V和+3.3V正是采用該電路形式。
降壓型LT1767在這里主要用于產(chǎn)生﹣5V的電壓,它本身是一個(gè)正向輸出的DC/DC電源,通過將電路的改進(jìn),設(shè)計(jì)出了具有﹣5V電壓輸出的開關(guān)電源,它本身具有以下特點(diǎn):
最大1.5A負(fù)載電流,MSOP-8小封裝
1.25MHz的開關(guān)頻率
3V-25V寬輸入電壓范圍
90%的轉(zhuǎn)換效率
6uA的關(guān)斷電流
具體電路如圖4一37所示
LT1767的輸出電壓配置方式和LM2651基本相同,只是它的反饋參考電壓為1.2V,R2的阻值一般取10K,通過設(shè)置Rl的大小即可得到想要的輸出電壓。
從三個(gè)開關(guān)電源輸出的直流電壓在送到模擬電路之前,可以再通過一級低壓差線性穩(wěn)壓器,這樣既保證了電壓轉(zhuǎn)換效率和輸出電壓的精度,同時(shí)也可以有效的抑制電源上的紋波。在本設(shè)計(jì)中將電源的關(guān)閉設(shè)計(jì)與這兩個(gè)DC心C開關(guān)電源結(jié)合在一起。如果想關(guān)閉電源,則只需要將兩圖中所示的ON/OFF輸入端置成低電平即可,只要輸入電壓小于0.6V以下,開關(guān)電源就會(huì)進(jìn)入關(guān)斷省電模式。
升壓型LM27313 DC/DC開關(guān)電源,在本設(shè)計(jì)中利用其強(qiáng)大的升壓特性,產(chǎn)生﹢22V直流電壓,用來驅(qū)動(dòng)TFT液晶屏的背光LED.LM27313具有下列特點(diǎn):
最大30V直流DMOSFET輸出
1.6MHz的開關(guān)頻率
2.7V~14V寬輸入范圍[!--empirenews.page--]
關(guān)斷電流小于luA具體電路如圖4-38所示
在液晶背光驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)中,將電源的參考反饋和驅(qū)動(dòng)背光LED相結(jié)合,采用了控制電流的方式來驅(qū)動(dòng)液晶的背光。如圖中,三路背光驅(qū)動(dòng)以并聯(lián)的形式處于電源輸出和反饋之間,由于反饋參考電壓為1.23V,為將背光驅(qū)動(dòng)的總電流控制在45mA以內(nèi)(單路電流15mA),此時(shí)轉(zhuǎn)換效率達(dá)到85%,計(jì)算電阻R為:
這樣保證了單路驅(qū)動(dòng)電流不至于過大,避免了不必要的浪費(fèi)。由于單路驅(qū)動(dòng)電壓并不完全相同,因此在電路中額外的添加了調(diào)節(jié)電阻,如圖中的Rl、R2和R3,可將它們?nèi)∽柚?0Ω--100Ω的小型貼片電阻,將三路驅(qū)動(dòng)電壓分離開。在液晶的背光顯示上也考慮了背光的可調(diào)節(jié)性,在本設(shè)計(jì)中將背光的調(diào)節(jié)與電源的開關(guān)相聯(lián)系起來,通過對
引腳的控制,可實(shí)現(xiàn)液晶的背光調(diào)。具體方法是采用PWM(脈寬調(diào)制)的方式,當(dāng)選擇最亮情況下時(shí),
被置高電平,此時(shí)輸入占空比為100%,通過逐漸減小占空比,來減小背光的亮度。PWM的時(shí)鐘信號由FPGA來提供,中間經(jīng)過了一個(gè)三極管轉(zhuǎn)換電路,時(shí)鐘頻率為IKHz,占空比分為四個(gè)檔位:40%、60%、80%和100%.當(dāng)關(guān)閉FPGA的供電電源以后,此時(shí)
備置低,LM27313進(jìn)入關(guān)閉狀態(tài)。
在對上述開關(guān)電源做PCB設(shè)計(jì)時(shí),必須仔細(xì)安排PCB的布局,所有的元件必須緊靠開關(guān)電源芯片,同時(shí)要保證通路在輸入與輸出之間;輸入電容和輸出電容盡可能短的接地,并靠近相應(yīng)的引腳;反饋控制電阻也要靠近開關(guān)電源;采用大面積接地連接電源芯片接地引腳以及各去藕電容接地端。
3.4.3開關(guān)機(jī)控制
電路開關(guān)控制電路對于手持式產(chǎn)品十分重要,因?yàn)橐龅介_關(guān)具有防反跳以及識別錯(cuò)誤按鍵的能力。傳統(tǒng)的防反跳開關(guān)設(shè)計(jì)采用的是分立邏輯器件、觸發(fā)器、電阻器和電容器,其它設(shè)計(jì)還采用了一個(gè)板載微處理器和分立式比較器,它們將連續(xù)消耗電池能量,對于高電壓多節(jié)電池應(yīng)用,還需要用一個(gè)高電壓LDO來驅(qū)動(dòng)低電壓器件。所有這些額外的電路不僅增加了所需要的板級空間和設(shè)計(jì)復(fù)雜性,而且在設(shè)備關(guān)斷情況下仍將消耗電池電量。為此本設(shè)計(jì)選用了一款專門用在手持式產(chǎn)品中的按鈕接通/關(guān)斷控制器LTC2950,該開關(guān)控制器具有以下優(yōu)點(diǎn):
具有可調(diào)型按鈕接通/關(guān)斷定時(shí)器
低電源電流:6uA
寬工作電壓范圍:3V-26V
EN輸出提供了DC/DC轉(zhuǎn)換器的控制
簡單的接口提供了適度的微處理器停機(jī)
采用8引腳3mm*2mm DFN超小封裝
以上幾點(diǎn)優(yōu)良特性,恰好滿足了本設(shè)計(jì)的需要,可以利用接通和關(guān)斷防反跳時(shí)間來消除對關(guān)機(jī)按鈕的誤操作;利用EN端來控制電源部分的幾個(gè)DC/DC轉(zhuǎn)換器的關(guān)閉與打開;通過與處理器的連接,通知處理器在設(shè)定時(shí)間內(nèi)完成相應(yīng)操作,如保存當(dāng)前設(shè)置及狀態(tài)。開關(guān)控制具體電路如圖4-39所示。
在上圖中,按鈕輸入經(jīng)過了一個(gè)簡單的R-C濾波電路,用來防止噪聲禍合到控制器件內(nèi)部,是因?yàn)槿绻_關(guān)按鈕與控制器的
引腳相距較遠(yuǎn)時(shí),則寄生電容有可能耦合到高阻抗
輸入端上。此外,寄生串聯(lián)電感還有可能在
引腳上引發(fā)不可預(yù)測的振鈴干擾,因此在
引腳和按鈕開關(guān)之間布設(shè)一個(gè)5K電阻器將使寄生電感問題有所緩解,在
引腳上接一個(gè)0.luF的電容器到地,可以減輕寄生容性耦合的影響。
開關(guān)控制電路的工作分為防反跳接通和防反跳斷電兩部分。
防反跳接通:當(dāng)首次給控制器加電時(shí),器件將對輸出引腳進(jìn)行初始化,此時(shí)與EN引腳相連的DC心C轉(zhuǎn)換器將被保持在關(guān)閉狀態(tài),如果確定要是EN為高電平輸出,來打開DC/DC轉(zhuǎn)換器,則PB引腳保持低電平的最小時(shí)間必須為32ms(TON),并可通過在ONT引腳上布設(shè)一個(gè)任選電容器來提供額外的接通防反跳時(shí)間(CONT),下面的式子給出了電容CONT,與TONT的關(guān)系:
一旦使能輸出EN被確定,則任何連接到該引腳的DC心C轉(zhuǎn)換器均被接通。
來自處理器的
輸入在隨后的512ms消隱時(shí)間
里被忽略。該消隱時(shí)間表示完成DC心C轉(zhuǎn)換器和處理器上電操作所需的最大時(shí)間,如果
引腳未在該slZms時(shí)間窗口里被拉至高電平,則使能輸出將被釋放,前提是slZms為系統(tǒng)的上電操作提供了足夠的時(shí)間。
防反跳斷電:如果要啟功斷電操作,則
引腳保持于低電平的最小時(shí)間也必須為32ms(幾即),同樣可以利用在OFFT引腳上增加電容器的方式來增加額外的關(guān)斷防反跳時(shí)間(幾腳),電容幾阿與幾腳的關(guān)系和開機(jī)設(shè)置采用的關(guān)系式一致。一旦尸召被拉低,則
引腳將被轉(zhuǎn)換至低電平,用來提醒處理器執(zhí)行其斷電和內(nèi)務(wù)處理任務(wù),留給處理器的斷電時(shí)間為1024ms,如果處理器提前完成上述任務(wù)的處理,則可提前
拉低,以釋放使能輸出,否則1024ms時(shí)間到以后,使能輸出將被強(qiáng)制釋放。圖4礴0給出了簡單的開關(guān)控制器在執(zhí)行上電和斷電任務(wù)時(shí)的時(shí)序圖。
在關(guān)機(jī)控制上也可以采用軟件關(guān)機(jī),即當(dāng)軟件檢測到定時(shí)關(guān)機(jī)時(shí)間到或者是電池電量不夠時(shí),可在完成相關(guān)的內(nèi)務(wù)處理以后,將
置成低電平,則輸出使能被主動(dòng)釋放,隨即關(guān)閉了DC心C轉(zhuǎn)換器。當(dāng)供電被切短以后,控制器非常低的靜態(tài)電流(6uA)對電池電量的消耗是微不足道的,有效的延長了電池的使用時(shí)間。