便攜式儀表電源的設(shè)計(jì)

1、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 在微電子技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā) 展起來的單片機(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

2、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。 從使用者的角度來說， 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

3、 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：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或士 5V。一一人機(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，一般在士 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

4、， 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；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，一般來說都要求 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)

5、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

6、 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、通用開關(guān)型穩(wěn)壓器件、多功能或?qū)Ｓ玫?電源器件、電壓基準(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)過一段時(shí)間的放電后， 電池電壓總會(huì)有一定程度

7、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。這類DC/DC專換器件按控制方式不同，可以分為脈沖寬度調(diào)制式（ PW）脈沖頻率調(diào)制式（PFM和開關(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)的專換器； 按輸出電壓不同可以 分為單一固定 / 可調(diào)電壓

8、輸出和多路固定 / 可調(diào)電壓輸出。脈沖寬度調(diào)制式（ PWM 專換器工作于固定的開關(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，提供一10V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，

9、 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：一一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(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寸裝，體積很小，不需要外部場(chǎng)效應(yīng)管。其他性能還包括： 20卩A靜態(tài)工作電流；1卩A關(guān)斷維持電流；電池欠電壓監(jiān)測(cè)2。由于MAX167輸入電壓范圍（0.75.5V）較大，可 以依據(jù)不同系統(tǒng)

10、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 13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勺電源 模塊實(shí)際電路原理圖如圖 2所示。圖 2中的一些電路參數(shù)的說明如下：磁芯電感 L1、 L2 可選用 CoilCraft (線藝)的D01608C-103表貼磁芯電感，電感值為 10卩H;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；一一電阻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 R仁R2 |VLCD|/1.25V，其 中R1的取值范圍為500kQ2

11、MQ;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 10200kQ;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=R6X (VTRIP/0.614V) 1,其中 R6 130kQ。當(dāng)電池電壓正常時(shí)，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(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 22

12、mM 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)來說，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MAX202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很多， 選擇的余地較大， 外圍

13、電路也更簡(jiǎn)單 一些，這里不作特別說明。以下主要給出借助MAX202得到10V電壓輸出的方法。MAX202是+ 5V供電的雙路RS-232驅(qū)動(dòng)器，它的內(nèi)部還包含了+ 5V及士 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上得到一10V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0.1卩F電容，其典型電路連接如圖3所示。MAX202E允許電荷泵產(chǎn)生的士 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（ 10卩F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（10卩F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；一一根據(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