便攜式儀表電源的設計

1、便攜式儀表電源的設計在微技術(shù)基礎(chǔ)上進展起來的及其外圍器件，使儀表技術(shù)進入了一個嶄新的智能化時代。此外，工藝的進展使器件普遍地采納技術(shù)，cmos器件不僅器件的體積越來越小，也為實現(xiàn)低、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進展前景。從用法者的角度來說，希翼便攜式儀表在大多數(shù)狀況下都能攜帶便利，操作容易，無需復雜維護又能長時光牢靠地工作。為滿足以上要求，一方面要挑選合適的低功耗器件，另一方面也對的設計提出了更高的要求。便攜式儀表中大量cmos器件的低功耗的特性，使得一般的電池就能為系統(tǒng)提供充沛的電能，因此，利用單一的電池電源，來滿足系統(tǒng)中各

2、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。1 便攜式儀表的硬件結(jié)構(gòu)便攜式儀表通常是一個由單片機及其外圍器件構(gòu)成的，具有多種輸入輸出形式的單片機系統(tǒng)，其硬件的普通結(jié)構(gòu)1所示。將其根據(jù)功能模塊劃分并分析各模塊電源需求如下：模塊包括傳感器及其驅(qū)動和傳感器輸出信號處理電路。傳感器及其驅(qū)動電路通常以為主，輸出信號處理普通用法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。人機對話的輸入輸出模塊包括顯示和鍵盤輸入驅(qū)動電路。lcd顯示輸出除了需要提供5v工作電壓外，普通還需要提供對照度調(diào)整電壓，lcd有正、負極性之分，不同的顯示器需要的對

3、照度調(diào)整電壓也不同，普通在±28v之內(nèi)。單片機及其接口模塊作為囫圇系統(tǒng)的核心，單片機要銜接和管理其他的模塊，與不同的模塊銜接，就會用到不同的接口。例如，不少便攜式儀表提供微型打印機接口，將信息打印出來；無數(shù)便攜式儀表上都有非易失存儲單元，即使斷電仍能長時光保留歷史信息；另一些便攜式儀表提供rs232串行通信接口，可以將保留的數(shù)據(jù)輸出到pc機中，做更高級的分析和處理，或是實時將測量數(shù)據(jù)傳遞給上位機，由上位機處理并完成相應的實時控制功能。這一模塊用法到的都是各種ic芯片，普通來說都要求3.3v或5v。從以上的分析可以看出，系統(tǒng)中各個模塊對電源的要求是不同的，電源模塊就是要將單一的電池電源

4、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，卻是一個很完整的系統(tǒng)，在設計便攜式儀表的硬件時，首先應盡量使各模塊的電源需求全都。比如傳感器模塊有5v的電壓需求，那么在單片機及其接口器件的挑選時，就應盡量挑選5v供電的ic芯片。盡管如此，設計時仍不行避開地會碰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)鍵問題，其中主要是解決lcd顯示器的對照度調(diào)整電壓的輸出。設計電源模塊時要按照不同的電源輸入輸出要求挑選相應的集成電源穩(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容易，體積盡可能小。2 電源穩(wěn)壓變換器件市場上可供挑選的電池規(guī)格多種多樣，除了較常規(guī)的1.2

5、v（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，還有各種特別的3、4.5、5、6v和12v的電池可供挑選，但從用法者更換或購買備用電池便利性的角度考慮，應盡可能用法互換性更好的一般電池。完成電源穩(wěn)壓變換可供挑選的集成電源器件主要有如下幾類：低壓差線性穩(wěn)壓器件、通用開關(guān)型穩(wěn)壓器件、多功能或?qū)Ｓ玫碾娫雌骷?、電壓基準器件，還實用于確保電源正常供電的各類電源監(jiān)控管理器件。便攜式儀表本身的功耗較小，普通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；對于電池供電的系統(tǒng)，因為經(jīng)過一段時光的放電后，電池電壓

6、總會有一定程度的下降，這時電源模塊應仍能保持穩(wěn)定的輸出電壓，這就要求電源模塊對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)變幻；普通都要求雙電壓輸出。在各種集成電源器件中，通用開關(guān)型集成穩(wěn)壓器件有較高的電源效率，適應較寬的輸入電壓范圍，簡單通過變換，產(chǎn)生多種類型的輸出電壓，十分適合于用法電池供電的系統(tǒng)，因此在便攜式儀表產(chǎn)品中有著廣泛的應用。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（）、脈沖頻率調(diào)制式（pfm）和開關(guān)泵式；按輸入電壓不同可以分為升壓式、降壓式和可分離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。

7、脈沖寬度調(diào)制式（pwm）轉(zhuǎn)換器工作于固定的開關(guān)頻率，其濾波電路的設計較容易；脈沖頻率調(diào)制式（pfm）轉(zhuǎn)換器在小功率輸出時可望獲得較低的靜態(tài)；開關(guān)電容泵式轉(zhuǎn)換器的外圍電路容易，適用于小輸出電流的電源變換。從外圍電路的復雜程度來看，固定電壓輸出的比可調(diào)電壓輸出的容易，單一電壓輸出的比多路電壓輸出的容易。以下給出一便攜式儀表電源模塊的設計實例。3 應用實例該便攜式儀表要求用法兩節(jié)5號干電池，提供10v的lcd對照度調(diào)整負電壓，5v傳感器驅(qū)動電路和其他器件電源，輸出工作電流為200ma。按照這個單電源輸入雙電壓輸出的電源要求，針對不同的系統(tǒng)硬件條件，給出兩種不同電源變換電路的計劃。3.1 用法雙電壓輸

8、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0.75.5v；主輸出2.55.5v（可調(diào)電壓輸出），或工廠預設值3.3v輸出，最大輸出電流可達350ma；其次輸出可為lcd對照度調(diào)整提供2828v范圍內(nèi)的電壓；電源效率可達95；16腳qsop封裝，體積很小，不需要外部。其他性能還包括：20a靜態(tài)工作電流；1a關(guān)斷維持電流；電池欠電壓監(jiān)測。因為max1677輸入電壓范圍（0.75.5v）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，靈便地挑選電池的種類，比如13節(jié)一般干電池、堿性電池、鎳鎘充電電池或

9、1節(jié)鋰電池均可以使系統(tǒng)正常工作。用法max1677的電源模塊實際電路原理圖2所示。圖2中的一些電路參數(shù)的解釋如下：磁芯l1、l2可選用coilcraft（線藝）的do1608c-103表貼磁芯電感，電感值為10h；肖特基d1、d2也可選用其他型號，只要反向耐壓大于16v即可；r1和r2的比值打算了lcd對照度輸出的電壓值vlcd（對應圖中的vout2），關(guān)系式為r1=r2×|vlcd|/1.25v，其中r1的取值范圍為500k2m；電阻r3和r4的比值打算了主輸出電壓值vout(對應圖中的vout1)，關(guān)系式為r3 =r4×(vout/1.25v)1，其中r4的取值范圍為1

10、0200k；電阻r5和r6的比值打算了系統(tǒng)欠電壓監(jiān)測的門檻電壓值vtrip，關(guān)系式為r5=r6×(vtrip/0.614v)1，其中r6130k。當電池電壓正常時，電池電壓過低輸出管腳lbo（low-batteryoutput）輸出保持高電平；一旦電池電壓低于門檻電壓vtrip時，lbo管腳輸出變?yōu)榈碗娖?。假如不用法欠電壓監(jiān)測的話，只需將第3管腳（lbi）接地。用法0805表貼元件，則此電源模塊在電路板上實際尺寸惟獨22mm×17mm。此電源模塊的應用比較靈便，可以按照實際系統(tǒng)的需要，根據(jù)以上關(guān)系式選取相應的電阻值，得到需要的電壓輸出。3.2 用法單電壓輸出的dc/dc變換

11、器從系統(tǒng)中其它器件上借用輔助電源對于電路中還包括rs-232串行接口的系統(tǒng)來說，還有一種僅用法單輸出dc/dc電壓變換器件就能滿足上述要求的電源處理辦法：選用單電壓輸出dc/dc變換器得到5v輸出，用法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)換器的負電壓輸出為lcd提供對照度調(diào)整負電壓。普通來說，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無數(shù)，挑選的余地較大，外圍電路也更容易一些，這里不作特殊解釋。以下主要給出借助max202e得到10v電壓輸出的辦法。max202e是5v供電的雙路rs-232驅(qū)動器，它的內(nèi)部還包含了5v及±1

12、0v的兩個電荷泵電壓轉(zhuǎn)換器，其中倍壓輸出電荷泵用法電容c1，在輸出濾波電容c3上得到10v輸出；倒相電荷泵用法電容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；正常的用法中，這5個電容都可以用法一般的0.1f電容，其典型電路銜接3所示。max202e允許電荷泵產(chǎn)生的±10v作為電源輸出，當借用電荷泵的倍壓輸出或倒相輸出作電源用法時，只需增大相應的電荷泵電容c1或c2（10f以內(nèi)），就可以維持器件的工作性能；若相應的輸出濾波電容c3或c4選用更大的電容值（10f以內(nèi)），則可減小電源的輸出阻抗。用法這種辦法也不失為一種簡化外圍電路的好方法。4 結(jié)語便攜式儀表是儀表行業(yè)的一個進展趨勢，它的硬件可以看作是一個完整的單片機系統(tǒng)，包括了多種形式的輸入輸出，囫圇系統(tǒng)的是一個重要的問題，在設計詳細的電源模塊時要注重如下幾個方面：為降低系