便携式仪表电源的设计

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    李疆,董景新,陈皓生

    (清华大学精仪系,北京100084)

    摘要:微电子技术的发展和工业测量的需求,使便携式仪表有着很好的发展前景。便携式仪表体积小,单电源供电,多种电压输出的特点,使其电源模块的设计有其特殊性。通过对便携式仪表典型硬件结构的分析,总结了各功能模块的电源需求,提出了便携式仪表电源处理的一般方法,并给出了两种电源模块的设计实例。
    关键词:便携式仪表;电池;电源处理

    在微电子技术基础上发展起来的单片机及其外围器件,使仪表技术进入了一个崭新的智能化时代。此外,半导体工艺的发展使器件普遍地采用CMOS技术,CMOS器件不仅器件的体积越来越小,也为实现低电压、低功耗和功耗管理提供了良好的条件,使便携式仪表的普及成为可能。因此,低功耗的便携式仪表有着很好的发展前景。从使用者的角度来说,希望便携式仪表在大多数情况下都能携带方便,操作简单,无需复杂维护又能长时间可靠地工作。为满足以上要求,一方面要选择合适的低功耗器件,另一方面也对电源模块的设计提出了更高的要求。
    便携式仪表中大量CMOS器件的低功耗的特性,使得普通的电池就能为系统提供充足的电能,因此,利用单一的电池电源,来满足系统中各部分不同的电源需求,并确保电源正常供电,是便携式仪表电源处理模块的基本任务。

    1便携式仪表的硬件结构
    便携式仪表通常是一个由单片机及其外围器件构成的,具有多种输入输出形式的单片机系统,其硬件的一般结构如图1所示。将其按照功能模块划分并分析各模块电源需求如下:


    ——传感器模块包括传感器及其驱动电路和传感器输出信号处理电路。传感器及其驱动电路通常以模拟电路为主,输出信号处理一般使用V/F转换器件或模数转换器件,因此传感器模块通常的电压需求为+5V或±5V。
    ——人机对话的输入输出模块包括LCD显示和键盘输入驱动电路。LCD显示输出除了需要提供+5V工作电压外,一般还需要提供对比度调节电压,LCD显示器有正、负极性之分,不同的显示器需要的对比度调节电压也不同,一般在±28V之内。
    ——单片机及其接口模块作为整个系统的核心,单片机要连接和管理其他的模块,与不同的模块连接,就会用到不同的接口。例如,不少便携式仪表提供微型打印机接口,将信息打印出来;很多便携式仪表上都有非易失存储单元,即使断电仍能长时间保留历史信息;另一些便携式仪表提供RS-232串行通信接口,可以将保留的数据输出到PC机中,做更高级的分析和处理,或是实时将测量数据传递给上位机,由上位机处理并完成相应的实时控制功能。这一模块使用到的都是各种IC芯片,一般来说都要求+3.3V或+5V。
    从以上的分析可以看出,系统中各个模块对电源的要求是不同的,电源模块就是要将单一的电池电源转换成能使系统中的各模块正常工作的多种电源输出。便携式仪表体积虽小,却是一个很完整的系统,在设计便携式仪表的硬件时,首先应尽量使各模块的电源需求一致。比如传感器模块有+5V的电压需求,那么在单片机及其接口器件的选择时,就应尽量选择+5V供电的IC芯片。
    尽管如此,设计时仍不可避免地会遇到两种甚至两种以上的电源需求,这就是电源模块要解决的关键问题,其中主要是解决LCD显示器的对比度调节电压的输出。设计电源模块时要根据不同的电源输入输出要求选择相应的集成电源稳压变换器件,在满足电源要求的前提下,使外围电路尽可能的简单,体积尽可能小。
    2电源稳压变换器件
    市场上可供选择的电池规格多种多样,除了较常规的1.2V(或1.2V整数倍)的镍镉充电电池(电池组)、1.5V和9V的干电池和3.6V的锂电池以外,还有各种特殊的3、4.5、5、6V和12V的电池可供选择,但从使用者更换或购买备用电池方便性的角度考虑,应尽可能使用互换性更好的普通电池。
    完成电源稳压变换可供选择的集成电源器件主要有如下几类:低压差线性稳压器件、通用开关型稳压器件、多功能或专用的电源器件、电压基准器件,还有用于确保电源正常供电的各类电源监控管理器件[1]。
    便携式仪表本身的功耗较小,一般要求的电源输出功率不大,从体积上考虑,与电路中的其他器件一样选用IC芯片,而不宜选用传统的线性稳压器件;对于电池供电的系统,由于经过一段时间的放电后,电池电压总会有一定程度的下降,这时电源模块应仍能保持稳定的输出电压,这就要求电源模块对输入电压的要求不能太苛刻,即允许输入电压在一定范围内变化;一般都要求双电压输出。
    在各种集成电源器件中,通用开关型集成稳压器件有较高的电源效率,适应较宽的输入电压范围,容易通过变换,产生多种类型的输出电压,非常适合于使用电池供电的系统,因此在便携式仪表产品中有着广泛的应用。
    这类DC/DC转换器件按控制方式不同,可以分为脉冲宽度调制式(PWM)、脉冲频率调制式(PFM)和开关电容泵式;按输入电压不同可以分为升压式、降压式和可分别工作于升压和降压两种状态的转换器;按输出电压不同可以分为单一固定/可调电压输出和多路固定/可调电压输出。
    脉冲宽度调制式(PWM)转换器工作于固定的开关频率,其滤波电路的设计较简单;脉冲频率调制式(PFM)转换器在小功率输出时可望获得较低的静态电流;开关电容泵式转换器的外围电路简单,适用于小输出电流的电源变换[1]。
    从外围电路的复杂程度来看,固定电压输出的比可调电压输出的简单,单一电压输出的比多路电压输出的简单。以下给出一便携式仪表电源模块的设计实例。
    3应用实例
    该便携式仪表要求使用两节5号干电池,提供-10V的LCD对比度调节负电压,+5V传感器驱动电路和其他器件电源,输出工作电流为200mA。根据这个单电源输入双电压输出的电源要求,针对不同的系统硬件条件,给出两种不同电源变换电路的方案。
    3.1使用双电压输出升压DC/DC变换器MAX1677完成
    MAX1677适用于需两种可调电源的便携式仪表。其主要性能为:
    ——允许的输入电压范围为0.7~5.5V;
    ——主输出2.5~5.5V(可调电压输出),或工厂预设值3.3V输出,最大输出电流可达350mA;
    ——第二输出可为LCD对比度调节提供+28~-28V范围内的电压;
    ——电源效率可达95%;
    ——16脚QSOP封装,体积很小,不需要外部场效应管。
    其他性能还包括:
    ——20μA静态工作电流;
    ——1μA关断维持电流;
    ——电池欠电压监测[2]。
    由于MAX1677输入电压范围(0.7~5.5V)较大,可以依据不同系统提供的安装电池空间和所需的不同电池电压与容量,灵活地选择电池的种类,比如1~3节普通干电池、碱性电池、镍镉充电电池或1节锂电池均可以使系统正常工作。使用MAX1677的电源模块实际电路原理图如图2所示。


    图2中的一些电路参数的说明如下:
    ——磁芯电感L1、L2可选用CoilCraft(线艺)的DO1608C-103表贴磁芯电感,电感值为10μH;
    ——肖特基二极管D1、D2也可选用其他型号,只要反向耐压大于16V即可;
    ——电阻R1和R2的比值决定了LCD对比度输出的电压值VLCD(对应图中的VOUT2),关系式为R1=R2×|VLCD|/1.25V,其中R1的取值范围为500kΩ~2MΩ;
    ——电阻R3和R4的比值决定了主输出电压值VOUT(对应图中的VOUT1),关系式为R3=R4×[(VOUT/1.25V)-1],其中R4的取值范围为10~200kΩ;
    ——电阻R5和R6的比值决定了系统欠电压监测的门槛电压值VTRIP,关系式为R5=R6×[(VTRIP/0.614V)-1],其中R6≤130kΩ。
    当电池电压正常时,电池电压过低输出管脚LBO(Low-BatteryOutput)输出保持高电平;一旦电池电压低于门槛电压VTRIP时,LBO管脚输出变为低电平。如果不使用欠电压监测的话,只需将第3管脚(LBI)接地。
    使用0805表贴元件,则此电源模块在电路板上实际尺寸只有22mm×17mm。此电源模块的应用比较灵活,可以根据实际系统的需要,按照以上关系式选取相应的电阻值,得到需要的电压输出。
    3.2使用单电压输出的DC/DC变换器从系统中其它器件上借用辅助电源
    对于电路中还包括RS-232串行接口的系统来说,还有一种仅使用单输出DC/DC电压变换器件就能满足上述要求的电源处理方法:选用单电压输出DC/DC变换器得到+5V输出,使用MAX202E完成RS-232串行接口,借用其内部的双路电荷泵电压转换器的负电压输出为LCD提供对比度调节负电压。一般来说,单一的电池电源输入得到单一的+5V输出的DC/DC升压正电压变换器件品种很多,选择的余地较大,外围电路也更简单一些,这里不作特别说明。以下主要给出借助MAX202E得到-10V电压输出的方法。
    MAX202E是+5V供电的双路RS-232驱动器,它的内部还包含了+5V及±10V的两个电荷泵电压转换器,其中倍压输出电荷泵使用电容C1,在输出滤波电容C3上得到+10V输出;倒相电荷泵使用电容C2,在输出滤波电容C4上得到-10V输出;电压输入的旁路电容为C5;正常的使用中,这5个电容都可以使用普通的0.1μF电容,其典型电路连接如图3所示。


    MAX202E允许电荷泵产生的±10V作为电源输出,当借用电荷泵的倍压输出或倒相输出作电源使用时,只需增大相应的电荷泵电容C1或C2(10μF以内),就可以维持器件的工作性能;若相应的输出滤波电容C3或C4选用更大的电容值(10μF以内),则可减小电源的输出阻抗[2]。使用这种方法也不失为一种简化外围电路的好办法。



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