便攜式儀表電源的設(shè)計
李疆,董景新,陳皓生
(清華大學(xué)精儀系,北京100084)
摘要:微電子技術(shù)的發(fā)展和工業(yè)測量的需求,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,使其電源模塊的設(shè)計有其性。通過對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)計實例。
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,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,操作簡單,無需復(fù)雜維護又能長時間可靠地工作。為滿足以上要求,一方面要選擇合適的低功耗器件,另一方面也對電源模塊的設(shè)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)動電路和傳感器輸出信號處理電路。傳感器及其驅(qū)動電路通常以模擬電路為主,輸出信號處理一般使用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。
——人機對話的輸入輸出模塊包括LCD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,一般還需要提供對比度調(diào)節(jié)電壓,LCD顯示器有正、負(fù)性之分,不同的顯示器需要的對比度調(diào)節(jié)電壓也不同,一般在±28V之內(nèi)。
——單片機及其接口模塊作為整個系統(tǒng)的核心,單片機要連接和管理其他的模塊,與不同的模塊連接,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;很多便攜式儀表上都有非易失存儲單元,即使斷電仍能長時間保留歷史信息;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機中,做更的分析和處理,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(yīng)的實時控制功能。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(shè)計便攜式儀表的硬件時,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,那么在單片機及其接口器件的選擇時,就應(yīng)盡量選擇+5V供電的IC芯片。
盡管如此,設(shè)計時仍不可避免地會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顯示器的對比度調(diào)節(jié)電壓的輸出。設(shè)計電源模塊時要根據(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單,體積盡可能小。
2電源穩(wěn)壓變換器件
市場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,還有各種的3、4.5、5、6V和12V的電池可供選擇,但從使用者更換或購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、通用開關(guān)型穩(wěn)壓器件、多功能或?qū)S玫碾娫雌骷㈦妷夯鶞?zhǔn)器件,還有用于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;對于電池供電的系統(tǒng),由于經(jīng)過一段時間的放電后,電池電壓總會有一定程度的下降,這時電源模塊應(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關(guān)頻率,其濾波電路的設(shè)計較簡單;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)電流;開關(guān)電容泵式轉(zhuǎn)換器的外圍電路簡單,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)電壓輸出的簡單,單一電壓輸出的比多路電壓輸出的簡單。以下給出一便攜式儀表電源模塊的設(shè)計實例。
3應(yīng)用實例
該便攜式儀表要求使用兩節(jié)5號干電池,提供-10V的LCD對比度調(diào)節(jié)負(fù)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。根據(jù)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,輸出電流可達350mA;
——第二輸出可為LCD對比度調(diào)節(jié)提供+28~-28V范圍內(nèi)的電壓;
——電源效率可達95%;
——16腳QSOP封裝,體積很小,不需要外部場效應(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[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DO1608C-103表貼磁芯電感,電感值為10μH;
——肖特基二管D1、D2也可選用其他型號,只要反向耐壓大于16V即可;
——電阻R1和R2的比值決定了LCD對比度輸出的電壓值VLCD(對應(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,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?。如果不使用欠電壓監(jiān)測的話,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LCD提供對比度調(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,外圍電路也更簡單一些,這里不作特別說明。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)動器,它的內(nèi)部還包含了+5V及±10V的兩個電荷泵電壓轉(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,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化外圍電路的好辦法。