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）

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。