便攜式儀表電源的設(shè)計(jì)

摘要：微電子技術(shù)的發(fā)展和工業(yè)測(cè)量的需求，使便攜式儀表有著很好的發(fā)展前景。便攜式儀表體積小，單電源供電，多種電壓輸出的特點(diǎn)，使其電源模塊的設(shè)計(jì)有其特殊性。通過(guò)對(duì)便攜式儀表典型硬件結(jié)構(gòu)的分析，總結(jié)了各功能模塊的電源需求，提出了便攜式儀表電源處理的一般方法，并給出了兩種電源模塊的設(shè)計(jì)實(shí)例。

關(guān)鍵詞：便攜式儀表；電池；電源處理

Design of Power Supply for Portable Instruments

LI Jiang, DONG Jing-xin, CHEN Hao-sheng

Abstract:With the development of the microelectronics technology and the demand of the industrial measurements, portable instruments have a bright future. Portable instruments are small in size, but flexible in use. The design of their power supply is quite different from other equipment, on account of their special requirements of single voltage input and multi voltage output. By analyzing the typical hardware structure and the different requirements of different modules, a general method is given to solve such problems. And two examples are given to meet the same demand of a particular application.

Keywords:Portable instruments; Battery; Power supply. 

    在微電子技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的單片機(jī)及其外圍器件，使儀表技術(shù)進(jìn)入了一個(gè)嶄新的智能化時(shí)代。此外，半導(dǎo)體工藝的發(fā)展使器件普遍地采用CMOS技術(shù)，CMOS器件不僅器件的體積越來(lái)越小，也為實(shí)現(xiàn)低電壓、低功耗和功耗管理提供了良好的條件，使便攜式儀表的普及成為可能。因此，低功耗的便攜式儀表有著很好的發(fā)展前景。從使用者的角度來(lái)說(shuō)，希望便攜式儀表在大多數(shù)情況下都能攜帶方便，操作簡(jiǎn)單，無(wú)需復(fù)雜維護(hù)又能長(zhǎng)時(shí)間可靠地工作。為滿足以上要求，一方面要選擇合適的低功耗器件，另一方面也對(duì)電源模塊的設(shè)計(jì)提出了更高的要求。

    便攜式儀表中大量CMOS器件的低功耗的特性，使得普通的電池就能為系統(tǒng)提供充足的電能，因此，利用單一的電池電源，來(lái)滿足系統(tǒng)中各部分不同的電源需求，并確保電源正常供電，是便攜式儀表電源處理模塊的基本任務(wù)。

1   便攜式儀表的硬件結(jié)構(gòu)

    便攜式儀表通常是一個(gè)由單片機(jī)及其外圍器件構(gòu)成的，具有多種輸入輸出形式的單片機(jī)系統(tǒng)，其硬件的一般結(jié)構(gòu)如圖1所示。將其按照功能模塊劃分并分析各模塊電源需求如下：

圖1   便 攜 式 儀 表 硬 件 的 一 般 結(jié) 構(gòu)

    ——傳感器模塊包括傳感器及其驅(qū)動(dòng)電路和傳感器輸出信號(hào)處理電路。傳感器及其驅(qū)動(dòng)電路通常以模擬電路為主，輸出信號(hào)處理一般使用V/F轉(zhuǎn)換器件或模數(shù)轉(zhuǎn)換器件，因此傳感器模塊通常的電壓需求為＋5V或±5V。

    ——人機(jī)對(duì)話的輸入輸出模塊包括LCD顯示和鍵盤輸入驅(qū)動(dòng)電路。LCD顯示輸出除了需要提供＋5V工作電壓外，一般還需要提供對(duì)比度調(diào)節(jié)電壓，LCD顯示器有正、負(fù)極性之分，不同的顯示器需要的對(duì)比度調(diào)節(jié)電壓也不同，一般在±28V之內(nèi)。

    ——單片機(jī)及其接口模塊作為整個(gè)系統(tǒng)的核心，單片機(jī)要連接和管理其他的模塊，與不同的模塊連接，就會(huì)用到不同的接口。例如，不少便攜式儀表提供微型打印機(jī)接口，將信息打印出來(lái)；很多便攜式儀表上都有非易失存儲(chǔ)單元，即使斷電仍能長(zhǎng)時(shí)間保留歷史信息；另一些便攜式儀表提供RS－232串行通信接口，可以將保留的數(shù)據(jù)輸出到PC機(jī)中，做更高級(jí)的分析和處理，或是實(shí)時(shí)將測(cè)量數(shù)據(jù)傳遞給上位機(jī)，由上位機(jī)處理并完成相應(yīng)的實(shí)時(shí)控制功能。這一模塊使用到的都是各種IC芯片，一般來(lái)說(shuō)都要求＋3.3V或＋5V。

    從以上的分析可以看出，系統(tǒng)中各個(gè)模塊對(duì)電源的要求是不同的，電源模塊就是要將單一的電池電源轉(zhuǎn)換成能使系統(tǒng)中的各模塊正常工作的多種電源輸出。便攜式儀表體積雖小，卻是一個(gè)很完整的系統(tǒng)，在設(shè)計(jì)便攜式儀表的硬件時(shí)，首先應(yīng)盡量使各模塊的電源需求一致。比如傳感器模塊有＋5V的電壓需求，那么在單片機(jī)及其接口器件的選擇時(shí)，就應(yīng)盡量選擇＋5V供電的IC芯片。

    盡管如此，設(shè)計(jì)時(shí)仍不可避免地會(huì)遇到兩種甚至兩種以上的電源需求，這就是電源模塊要解決的關(guān)鍵問(wèn)題，其中主要是解決LCD顯示器的對(duì)比度調(diào)節(jié)電壓的輸出。設(shè)計(jì)電源模塊時(shí)要根據(jù)不同的電源輸入輸出要求選擇相應(yīng)的集成電源穩(wěn)壓變換器件，在滿足電源要求的前提下，使外圍電路盡可能的簡(jiǎn)單，體積盡可能小。

2   電源穩(wěn)壓變換器件

    市場(chǎng)上可供選擇的電池規(guī)格多種多樣，除了較常規(guī)的1.2V（或1.2V整數(shù)倍）的鎳鎘充電電池（電池組）、1.5V和9V的干電池和3.6V的鋰電池以外，還有各種特殊的3、4.5、5、6V和12V的電池可供選擇，但從使用者更換或購(gòu)買備用電池方便性的角度考慮，應(yīng)盡可能使用互換性更好的普通電池。

    完成電源穩(wěn)壓變換可供選擇的集成電源器件主要有如下幾類：低壓差線性穩(wěn)壓器件、通用開(kāi)關(guān)型穩(wěn)壓器件、多功能或?qū)Ｓ玫碾娫雌骷?、電壓基?zhǔn)器件，還有用于確保電源正常供電的各類電源監(jiān)控管理器件[1]。

    便攜式儀表本身的功耗較小，一般要求的電源輸出功率不大，從體積上考慮，與電路中的其他器件一樣選用IC芯片，而不宜選用傳統(tǒng)的線性穩(wěn)壓器件；對(duì)于電池供電的系統(tǒng)，由于經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的放電后，電池電壓總會(huì)有一定程度的下降，這時(shí)電源模塊應(yīng)仍能保持穩(wěn)定的輸出電壓，這就要求電源模塊對(duì)輸入電壓的要求不能太苛刻，即允許輸入電壓在一定范圍內(nèi)變化；一般都要求雙電壓輸出。

    在各種集成電源器件中，通用開(kāi)關(guān)型集成穩(wěn)壓器件有較高的電源效率，適應(yīng)較寬的輸入電壓范圍，容易通過(guò)變換，產(chǎn)生多種類型的輸出電壓，非常適合于使用電池供電的系統(tǒng)，因此在便攜式儀表產(chǎn)品中有著廣泛的應(yīng)用。 [!--empirenews.page--]

    這類DC/DC轉(zhuǎn)換器件按控制方式不同，可以分為脈沖寬度調(diào)制式（PWM）、脈沖頻率調(diào)制式（PFM）和開(kāi)關(guān)電容泵式；按輸入電壓不同可以分為升壓式、降壓式和可分別工作于升壓和降壓兩種狀態(tài)的轉(zhuǎn)換器；按輸出電壓不同可以分為單一固定/可調(diào)電壓輸出和多路固定/可調(diào)電壓輸出。

    脈沖寬度調(diào)制式（PWM）轉(zhuǎn)換器工作于固定的開(kāi)關(guān)頻率，其濾波電路的設(shè)計(jì)較簡(jiǎn)單；脈沖頻率調(diào)制式（PFM）轉(zhuǎn)換器在小功率輸出時(shí)可望獲得較低的靜態(tài)電流；開(kāi)關(guān)電容泵式轉(zhuǎn)換器的外圍電路簡(jiǎn)單，適用于小輸出電流的電源變換[1]。

    從外圍電路的復(fù)雜程度來(lái)看，固定電壓輸出的比可調(diào)電壓輸出的簡(jiǎn)單，單一電壓輸出的比多路電壓輸出的簡(jiǎn)單。以下給出一便攜式儀表電源模塊的設(shè)計(jì)實(shí)例。

3   應(yīng)用實(shí)例

    該便攜式儀表要求使用兩節(jié)5號(hào)干電池，提供－10V的LCD對(duì)比度調(diào)節(jié)負(fù)電壓，＋5V傳感器驅(qū)動(dòng)電路和其他器件電源，輸出工作電流為200mA。根據(jù)這個(gè)單電源輸入雙電壓輸出的電源要求，針對(duì)不同的系統(tǒng)硬件條件，給出兩種不同電源變換電路的方案。

3.1   使用雙電壓輸出升壓DC/DC變換器MAX1677完成

    MAX1677適用于需兩種可調(diào)電源的便攜式儀表。其主要性能為：

    ——允許的輸入電壓范圍為0.7～5.5V；

    ——主輸出2.5～5.5V（可調(diào)電壓輸出），或工廠預(yù)設(shè)值3.3V輸出，最大輸出電流可達(dá)350mA；

    ——第二輸出可為L(zhǎng)CD對(duì)比度調(diào)節(jié)提供＋28～－28V范圍內(nèi)的電壓；

    ——電源效率可達(dá)95％；

    ——16腳QSOP封裝，體積很小，不需要外部場(chǎng)效應(yīng)管。

    其他性能還包括：

    ——20μA靜態(tài)工作電流；

    ——1μA關(guān)斷維持電流；

    ——電池欠電壓監(jiān)測(cè)[2]。

    由于MAX1677輸入電壓范圍（0.7～5.5V）較大，可以依據(jù)不同系統(tǒng)提供的安裝電池空間和所需的不同電池電壓與容量，靈活地選擇電池的種類，比如1～3節(jié)普通干電池、堿性電池、鎳鎘充電電池或1節(jié)鋰電池均可以使系統(tǒng)正常工作。使用MAX1677的電源模塊實(shí)際電路原理圖如圖2所示。

圖2  MAX1677電 源 變 換 電 路 原 理 圖 [!--empirenews.page--]

    圖2中的一些電路參數(shù)的說(shuō)明如下：

    ——磁芯電感L1、L2可選用CoilCraft（線藝）的DO1608C-103表貼磁芯電感，電感值為10μH；

    ——肖特基二極管D1、D2也可選用其他型號(hào)，只要反向耐壓大于16V即可；

    ——電阻R1和R2的比值決定了LCD對(duì)比度輸出的電壓值VLCD（對(duì)應(yīng)圖中的VOUT2），關(guān)系式為R1=R2×|VLCD|/1.25V，其中R1的取值范圍為500kΩ～2MΩ；

    ——電阻R3和R4的比值決定了主輸出電壓值VOUT(對(duì)應(yīng)圖中的VOUT1)，關(guān)系式為R3=R4×[(VOUT/1.25V)－1]，其中R4的取值范圍為10～200kΩ；

    ——電阻R5和R6的比值決定了系統(tǒng)欠電壓監(jiān)測(cè)的門檻電壓值VTRIP，關(guān)系式為R5=R6×[(VTRIP/0.614V)－1]，其中R6≤130kΩ。

    當(dāng)電池電壓正常時(shí)，電池電壓過(guò)低輸出管腳LBO（Low-BatteryOutput）輸出保持高電平；一旦電池電壓低于門檻電壓VTRIP時(shí)，LBO管腳輸出變?yōu)榈碗娖?。如果不使用欠電壓監(jiān)測(cè)的話，只需將第3管腳（LBI）接地。

    使用0805表貼元件，則此電源模塊在電路板上實(shí)際尺寸只有22mm×17mm。此電源模塊的應(yīng)用比較靈活，可以根據(jù)實(shí)際系統(tǒng)的需要，按照以上關(guān)系式選取相應(yīng)的電阻值，得到需要的電壓輸出。

3.2   使用單電壓輸出的DC/DC變換器從系統(tǒng)中其它器件上借用輔助電源

    對(duì)于電路中還包括RS-232串行接口的系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，還有一種僅使用單輸出DC/DC電壓變換器件就能滿足上述要求的電源處理方法：選用單電壓輸出DC/DC變換器得到＋5V輸出，使用MAX202E完成RS-232串行接口，借用其內(nèi)部的雙路電荷泵電壓轉(zhuǎn)換器的負(fù)電壓輸出為L(zhǎng)CD提供對(duì)比度調(diào)節(jié)負(fù)電壓。一般來(lái)說(shuō)，單一的電池電源輸入得到單一的＋5V輸出的DC/DC升壓正電壓變換器件品種很多，選擇的余地較大，外圍電路也更簡(jiǎn)單一些，這里不作特別說(shuō)明。以下主要給出借助MAX202E得到－10V電壓輸出的方法。

    MAX202E是＋5V供電的雙路RS-232驅(qū)動(dòng)器，它的內(nèi)部還包含了＋5V及±10V的兩個(gè)電荷泵電壓轉(zhuǎn)換器，其中倍壓輸出電荷泵使用電容C1，在輸出濾波電容C3上得到＋10V輸出；倒相電荷泵使用電容C2，在輸出濾波電容C4上得到－10V輸出；電壓輸入的旁路電容為C5；正常的使用中，這5個(gè)電容都可以使用普通的0.1μF電容，其典型電路連接如圖3所示。

圖3   MAX202E典型電路連接原理圖

    MAX202E允許電荷泵產(chǎn)生的±10V作為電源輸出，當(dāng)借用電荷泵的倍壓輸出或倒相輸出作電源使用時(shí)，只需增大相應(yīng)的電荷泵電容C1或C2（10μF以內(nèi)），就可以維持器件的工作性能；若相應(yīng)的輸出濾波電容C3或C4選用更大的電容值（10μF以內(nèi)），則可減小電源的輸出阻抗[2]。使用這種方法也不失為一種簡(jiǎn)化外圍電路的好辦法。

4   結(jié)語(yǔ)

    便攜式儀表是儀表行業(yè)的一個(gè)發(fā)展趨勢(shì)，它的硬件可以看作是一個(gè)完整的單片機(jī)系統(tǒng)，包括了多種形式的輸入輸出，整個(gè)系統(tǒng)的電源管理是一個(gè)重要的問(wèn)題，在設(shè)計(jì)具體的電源模塊時(shí)要注意如下幾個(gè)方面：

    ——為降低系統(tǒng)功耗，減小儀表體積，應(yīng)盡可能地選用CMOS器件；

    ——根據(jù)容許的空間和需求的容量合理地選擇電池，從互換性角度考慮應(yīng)盡量選用普通電池作為電源；

    ——選用合適的電源穩(wěn)壓變換器件，在滿足電源需求的前提下，使電源模塊的外圍電路簡(jiǎn)單，減小占用空間；

    ——當(dāng)要實(shí)現(xiàn)多電壓輸出時(shí)，既可以直接選用具備相應(yīng)功能的電源穩(wěn)壓變換器件，也可以充分利用電路中已有器件的輔助電壓輸出，達(dá)到簡(jiǎn)化外圍電路的目的。