便攜式儀表電源的設(shè)計(jì)

　　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：

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　　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?a target="_blank">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(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。

　　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]。