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應(yīng)用于便攜式儀表的電源模塊設(shè)計(jì)實(shí)例

發(fā)布時(shí)間:2013-01-07 責(zé)任編輯:Lynnjiao

【導(dǎo)讀】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)。

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:

便攜式儀表硬件的一般結(jié)構(gòu)
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(pán)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。

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(mǎi)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(lèi):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(lèi)電源監(jiān)控管理器件。
   
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(lèi)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。
  
這類(lèi)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。
   
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。

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。

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(lèi),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。

MAX1677電源變換電路原理圖
圖2:MAX1677電源變換電路原理圖 

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(mén)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(mén)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。

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。

MAX202E典型電路連接原理圖
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。使用這種方法也不失為一種簡(jiǎn)化外圍電路的好辦法。

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。

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