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(diǎn)，使其電源模塊的設(shè)計有其特殊性。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(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(shí)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(hù)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：

——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(jī)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)極性之分，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(jī)及其接口模塊作為整個系統(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(jī)中，做更高級的分析和處理，或是實(shí)時將測量數(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(jī)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?、電壓基?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(shí)例。
3應(yīng)用實(shí)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，最大輸出電流可達(dá)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(dá)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(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，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(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。
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。