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，此時電池處于充電狀態(tài)，當電池充滿以后電池保持在補足充電狀態(tài)，因為電池總會漏掉少量的電量。當取下適配器以后，充電管理器處于掉電模式，此時直接由電池為系統(tǒng)提供所需的電量。電源模塊主要完成將電池電壓，按要求轉換為多種電壓形式供給主機板。減少功耗，提高轉換效率是設計電源模塊考慮的首要因素。圖4-34給出了本設計的電源模塊框圖。
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間更長，合理的充電管理十分重要，本設計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，同時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構和具體連接電路。
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計的高效率充電管理器，具有以下優(yōu)良特點：
集成同步開關，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
可配置的充電時間、充電電流。
電池溫度檢測電路，超過設定范圍時暫停充電。
可同時為系統(tǒng)供電和為電池充電。
無適配器時，自動進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。
考慮到用戶對產品使用的隨意性，即電池的充電時間并不是固定的，如果通過外部電容來配置充電時間，則會影響電池的充電狀況，這是因為將充電時間定為一個固定時間以后，每次進行充電時，電池內部所剩的電量并不相同，如果以
固定時間進行充電，則有可能在定時時間到時電池并沒有充滿，因此本設計采用了動態(tài)的充電方式，即不固定充電時間，只要電池沒有充滿，則它都會先檢測電池的電壓是否達到快速充電電壓，如果沒有則先進行預充，此時電池電壓會逐漸上升，當電池電壓達到快速充電電壓時，采用設定的最大充電電流對電池進行充電(恒流充電)，當電池電壓達到預設值(8.4v)后，自動進入補足充電狀態(tài)，此時稱為恒壓充電，充電電流逐漸減小，直到充電結束。這種方式設計可以隨時將適配器接入，而系統(tǒng)所需的電量直接由充電管理芯片提供，同時電池也可以充電，兩者基本上相互獨立，即使是在關機狀態(tài)下，也可以給電池充電。
在充電狀態(tài)的指示設計上，僅僅使用了一個狀態(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中，而沒有采用發(fā)光二極管指示的形式，具體設計如圖中所示。當沒有接上適配器時，PG￣為高阻輸出，則ARM檢測到的電壓為3.3v，即認為檢測到了高電平(數(shù)字1)，當電路街上適配器以后，為低電平，則二極管必然會導通，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志。Ts輸入端是溫度保護輸入，當和電池塊放在一起的負溫度系數(shù)的熱敏電阻受電池溫度影響時，其阻值發(fā)生變化，通過分壓電路，在TS上的電壓也會發(fā)生變化，當電壓范圍超出VVTSB的34%--74%時，充電被暫停，直到電池溫度回到正常范圍以內。
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，而在預充電和補足充電情況下則為500mA，此設計方案基本上滿足了充電要求。因為電池放電并不是線性放電，如果負載功耗為定值，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，電池電壓就會快速下降，此時應該停止放電，因為鏗電池過度放電也會縮短電池使用壽命。停止放電由軟件來處理，當ARM檢測到電池電壓低于某個電壓值時，就會自動關機，同時為了節(jié)省電池電量，在軟件中了設計了定時關機程序，當用戶在一定時間內沒有對儀器做任何操作時，系統(tǒng)將在設定時間內自動關閉電源。
3.4.2 DC-DC轉換電路
本系統(tǒng)中各種直流電源的產生都是經過專用的集成電源芯片來實現(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)、基于電感儲能的開關式DC/DC升降壓穩(wěn)壓器(Induotor Based switching Regulators)及基于電容器儲能的電荷泵(switched Capacitpr Regulators)。
1.LDO低壓差線性穩(wěn)壓器：應用最簡單的穩(wěn)壓器，由于其本身存在DC無開關電壓轉換，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)壓器最大的缺點在熱量管理方面，因為其轉換效率近似等于輸出電壓除以輸入電壓的值，所以當輸出電壓與輸入電壓相差較大時，轉換效率會很低，其中一部分能量轉換為熱能被消耗掉，但當電壓差較小時，情況就有所不同，例如電壓從1.5v降到1.2v，效率達到了80%.
2.開關式DC/DC(轉換器：當輸入與輸出的電壓差較高時，開關穩(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和電感等儲能單元實現(xiàn)了高達%%的效率，因此極大地降低了轉換過程中的功率損失。選用開關頻率高的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的高開關頻率。開關穩(wěn)壓器的缺點較少，通?？梢杂煤玫脑O計技術來克服，但是電感器的頻率外泄干擾較難避免，設計應用時對其EMI輻射需要考慮。
3.電荷泵：電容式電荷泵通過開關陣列和振蕩器、邏輯電路、比較控制器實現(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)和內部開關晶體管的RDS(ON)。電荷泵轉換器沒有使用儲能電感，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)的實際需要，即最主要關心的是整個系統(tǒng)在有限電t情況下的延長供電時間，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式DC/DC轉換器和低壓差線性穩(wěn)壓器相結合電路，這樣既保證了電源的轉換效率，同時也為系統(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轉換器，分別產生±5v、﹢3.3v和+22V直流電壓。采用了國半的高效的LM265DC/DC轉換器產生+5V和+3.3V電壓，LM27313升壓芯片產生+22V的液晶背光驅動電壓，以及凌特公司的LT1767產生﹣5V電壓。LM2651具有如下特點：
高達97%的電源轉換效率
1.5A的負載電流，從15mA到1.5A可用
4v~14V輸入電壓范圍
300KHZ的開關頻率
可調節(jié)的軟啟動
7uA關斷電流
圖4-36給出了降壓型LM2651典型的連接電路圖。輸出電壓VOUT通過調節(jié)電阻Rl和R2的比例關系即可實現(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，通過這樣調節(jié)電阻Rl和R2的值即可輸出需要的電壓值。本設計所需要的+5V和+3.3V正是采用該電路形式。
降壓型LT1767在這里主要用于產生﹣5V的電壓，它本身是一個正向輸出的DC/DC電源，通過將電路的改進，設計出了具有﹣5V電壓輸出的開關電源，它本身具有以下特點：
最大1.5A負載電流，MSOP-8小封裝
1.25MHz的開關頻率
3V-25V寬輸入電壓范圍
90%的轉換效率
6uA的關斷電流
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，通過設置Rl的大小即可得到想要的輸出電壓。
從三個開關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換效率和輸出電壓的精度，同時也可以有效的抑制電源上的紋波。在本設計中將電源的關閉設計與這兩個DC心C開關電源結合在一起。如果想關閉電源，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，開關電源就會進入關斷省電模式。
升壓型LM27313 DC/DC開關電源，在本設計中利用其強大的升壓特性，產生﹢22V直流電壓，用來驅動TFT液晶屏的背光LED.LM27313具有下列特點：
最大30V直流DMOSFET輸出
1.6MHz的開關頻率
2.7V~14V寬輸入范圍[!--empirenews.page--]
關斷電流小于luA具體電路如圖4-38所示
在液晶背光驅動電路設計中，將電源的參考反饋和驅動背光LED相結合，采用了控制電流的方式來驅動液晶的背光。如圖中，三路背光驅動以并聯(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，為將背光驅動的總電流控制在45mA以內(單路電流15mA)，此時轉換效率達到85%，計算電阻R為：
這樣保證了單路驅動電流不至于過大，避免了不必要的浪費。由于單路驅動電壓并不完全相同，因此在電路中額外的添加了調節(jié)電阻，如圖中的Rl、R2和R3，可將它們取阻值50Ω--100Ω的小型貼片電阻，將三路驅動電壓分離開。在液晶的背光顯示上也考慮了背光的可調節(jié)性，在本設計中將背光的調節(jié)與電源的開關相聯(lián)系起來，通過對
引腳的控制，可實現(xiàn)液晶的背光調。具體方法是采用PWM(脈寬調制)的方式，當選擇最亮情況下時，
被置高電平，此時輸入占空比為100%，通過逐漸減小占空比，來減小背光的亮度。PWM的時鐘信號由FPGA來提供，中間經過了一個三極管轉換電路，時鐘頻率為IKHz，占空比分為四個檔位：40%、60%、80%和100%.當關閉FPGA的供電電源以后，此時
備置低，LM27313進入關閉狀態(tài)。
在對上述開關電源做PCB設計時，必須仔細安排PCB的布局，所有的元件必須緊靠開關電源芯片，同時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，并靠近相應的引腳;反饋控制電阻也要靠近開關電源;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開關機控制
電路開關控制電路對于手持式產品十分重要，因為要做到開關具有防反跳以及識別錯誤按鍵的能力。傳統(tǒng)的防反跳開關設計采用的是分立邏輯器件、觸發(fā)器、電阻器和電容器，其它設計還采用了一個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)電池應用，還需要用一個高電壓LDO來驅動低電壓器件。所有這些額外的電路不僅增加了所需要的板級空間和設計復雜性，而且在設備關斷情況下仍將消耗電池電量。為此本設計選用了一款專門用在手持式產品中的按鈕接通/關斷控制器LTC2950，該開關控制器具有以下優(yōu)點：
具有可調型按鈕接通/關斷定時器
低電源電流：6uA
寬工作電壓范圍：3V-26V
EN輸出提供了DC/DC轉換器的控制
簡單的接口提供了適度的微處理器停機
采用8引腳3mm*2mm DFN超小封裝
以上幾點優(yōu)良特性，恰好滿足了本設計的需要，可以利用接通和關斷防反跳時間來消除對關機按鈕的誤操作;利用EN端來控制電源部分的幾個DC/DC轉換器的關閉與打開;通過與處理器的連接，通知處理器在設定時間內完成相應操作，如保存當前設置及狀態(tài)。開關控制具體電路如圖4-39所示。
在上圖中，按鈕輸入經過了一個簡單的R-C濾波電路，用來防止噪聲禍合到控制器件內部，是因為如果開關按鈕與控制器的
引腳相距較遠時，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)不可預測的振鈴干擾，因此在
引腳和按鈕開關之間布設一個5K電阻器將使寄生電感問題有所緩解，在
引腳上接一個0.luF的電容器到地，可以減輕寄生容性耦合的影響。
開關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：當首次給控制器加電時，器件將對輸出引腳進行初始化，此時與EN引腳相連的DC心C轉換器將被保持在關閉狀態(tài)，如果確定要是EN為高電平輸出，來打開DC/DC轉換器，則PB引腳保持低電平的最小時間必須為32ms(TON)，并可通過在ONT引腳上布設一個任選電容器來提供額外的接通防反跳時間(CONT)，下面的式子給出了電容CONT，與TONT的關系：
一旦使能輸出EN被確定，則任何連接到該引腳的DC心C轉換器均被接通。
來自處理器的
輸入在隨后的512ms消隱時間
里被忽略。該消隱時間表示完成DC心C轉換器和處理器上電操作所需的最大時間，如果
引腳未在該slZms時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斷防反跳時間(幾腳)，電容幾阿與幾腳的關系和開機設置采用的關系式一致。一旦尸召被拉低，則
引腳將被轉換至低電平，用來提醒處理器執(zhí)行其斷電和內務處理任務，留給處理器的斷電時間為1024ms，如果處理器提前完成上述任務的處理，則可提前
拉低，以釋放使能輸出，否則1024ms時間到以后，使能輸出將被強制釋放。圖4礴0給出了簡單的開關控制器在執(zhí)行上電和斷電任務時的時序圖。
在關機控制上也可以采用軟件關機，即當軟件檢測到定時關機時間到或者是電池電量不夠時，可在完成相關的內務處理以后，將
置成低電平，則輸出使能被主動釋放，隨即關閉了DC心C轉換器。當供電被切短以后，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間。
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