基于SP6641的手持設(shè)備電源設(shè)計(jì)

1 引言

目前，由電池供電的各種電子產(chǎn)品及便攜式儀器儀表更多傾向于低電壓、低功耗、微型化設(shè)計(jì)，其電源管理系統(tǒng)都需DC／DC轉(zhuǎn)換器。此轉(zhuǎn)換器的核心是輸出精度、轉(zhuǎn)換效率、啟動(dòng)電壓等。這里介紹一款結(jié)構(gòu)簡單、體積小、效率高、功耗低的升壓型PFM控制DC／DC轉(zhuǎn)換器-SP6641，并詳細(xì)給出該器件在心理測評手持?jǐn)?shù)據(jù)采集系統(tǒng)電源管理中的應(yīng)用。

2 SP6641器件簡介

SP6641是一款手持式低功耗-低壓-升壓型DC／DC轉(zhuǎn)換器，能在輸入電壓動(dòng)態(tài)范圍較大時(shí)為單片機(jī)系統(tǒng)提供穩(wěn)定的直流電源，其靜態(tài)電流極低，電池轉(zhuǎn)換效率高，性價(jià)比高，多用于電池供電設(shè)備SP6641的靜態(tài)電流為10μA，有1個(gè)0．3Ω的N通道充電開關(guān)，最低啟動(dòng)電壓0．9V，并具有0．33 A或1．0A感應(yīng)電流限制模塊。SP6641器件采用5引腳SOT-23貼片封裝形式，其引腳配置如圖1所示。

2．1 性能特點(diǎn)

該器件的性能特點(diǎn)如下：極低靜態(tài)電流為10μA；寬輸入電壓范圍為0．9~4．5 V；1．3 V輸入時(shí)，IOUT可達(dá)90 mA(SP6641A-3．3 V)；2．6 V輸入時(shí)，IOUT可達(dá)500 mA(SP6641B-3．3 V)；2．0 V輸入時(shí)，IOUT可達(dá)100 mA(SP6641A-5．0 V)；3．3 V輸入時(shí)，IOUT可達(dá)500 mA(SP6641B-5．0 V)；固定輸出電壓為3．3 V或5．0 V；電源轉(zhuǎn)換效率高達(dá)87％；0．3Ω NFET RDSon；O．33 A感應(yīng)電流保護(hù)模塊(SP6641A)；1 A感應(yīng)電流保護(hù)模塊(SP6641B)；邏輯關(guān)斷控制；SOT-23-5封裝。

2．2 使用方式

SP6641不同版本具有不同的功率和固定的輸出電壓(3．3 V、5．O v)．在應(yīng)用時(shí)可根據(jù)實(shí)際使用情況加以選擇。SP6641提供兩種不同功率的版本型號，如SP6641A和SP6641B，這兩者的引腳是一樣的，但所提供的最大輸出電流不一樣，外圍元件也不同。輸入電壓下降時(shí)，輸出電流也下降，VBATT為1.3 V時(shí)輸出電流分別為90 mA(SP6641A)，200 mA(SP6641B)。當(dāng)需要不同的輸出電源電壓時(shí)．只需選擇不同后綴的版本型號。圖2為SP6641B電源電路原理圖。

3 SP6641B在手持設(shè)備中的應(yīng)用

3．1 手持設(shè)備設(shè)計(jì)方案

在設(shè)計(jì)時(shí)，首先根據(jù)需要輸出的固定電壓、最大工作電流確定相應(yīng)的電源器件。再根據(jù)電源器件確定電源電路和外圍元件。手持設(shè)備采用低功耗型單片機(jī)(MCU)MSP430F123A作為主控制器，掃描由0～9數(shù)字組成的鍵盤響應(yīng)，然后通過LSD-RF1100-A433無線模塊實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的無線傳輸，該手持設(shè)備的原理結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。

LSD-RF1100-A433無線模塊是基于TI公司的CC1100的射頻模塊，該模塊工作電壓為3～3．6 V，工作電流小于30 mA。單片機(jī)MSP430F123的工作電壓為1．8～3．6 V，工作電流小于2 mA?？紤]到實(shí)際使用的方便性，采用普通2節(jié)5號堿性電池作為供電電源，為保證系統(tǒng)正常工作，需要設(shè)計(jì)提供穩(wěn)定的3．3 V電源電路，供電電流不小于50 mA，并且在電池電壓為1．5 V時(shí)仍能保證3．3 V穩(wěn)定輸出。為延長手持設(shè)備的工作時(shí)間，這里采用具有升壓功能的SP6641B設(shè)計(jì)電源電路，為手持設(shè)備提供較長時(shí)間穩(wěn)定的3．3 V電源。

3．2 電源器件選型

由于手持設(shè)備只需一個(gè)3．3 V的固定電壓，最大工作電流約50 mA，選用SP6641B作為電源器件。其在VBATT=1．3 V時(shí)，輸出電流200 mA。如果要求電源具備較低電壓紋波，可增加一級濾波電路。

3．3 外圍電路元件選型

SP6641B的數(shù)據(jù)手冊提供所需外圍電路元件參數(shù)：C1=C2=100μF (POSCAP)，L1=10μH (CDRH5D2B)，VD1為ZHCS2000，C3=1μF陶瓷電容。電源器件輸出電壓的穩(wěn)定性既取決于電源器件的質(zhì)量，同時(shí)也和外圍電路元件的合理取值和質(zhì)量有直接關(guān)系。外部元件數(shù)值的選擇主要由輸出電壓、最大負(fù)載電流和最大最小輸入電壓決定。首先確定電感值，然后依次選擇二極管、電容等值。

(1)電感的選擇 電感是決定電源系統(tǒng)穩(wěn)定度的主要因素。電感主要參數(shù)包括：電感量峰值電流和內(nèi)阻。電感線圈的電阻應(yīng)小于0．5Ω，為減小噪音輻射，應(yīng)選用屏蔽電感。電感L1是整個(gè)電路的儲能元件，必須選擇適當(dāng)?shù)墓β试虼?，電感選用德國Wiirth Elektronik公司生產(chǎn)的，型號為WE-PD系列帶屏蔽功率電感，其IDC=1．83 A，RDC=0．072Ω。這時(shí)電源電路的轉(zhuǎn)換電壓穩(wěn)定、轉(zhuǎn)換效率高，在輸入電壓低于1．2 V時(shí)，仍提供穩(wěn)定的3．3 V輸出。

(2)二極管的選擇 工作中，二極管VD1的正向?qū)▔航祵﹂_關(guān)電源的效率影響很大，為提高轉(zhuǎn)換器效率．在保證二極管正常工作的同時(shí)要選用正向?qū)▔航敌?，反向恢?fù)時(shí)間短的肖特基二極管，還應(yīng)考慮其輸出電壓和峰值開關(guān)電流。因此，這里選取1N4148。

(3)電容的選擇 設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)當(dāng)依據(jù)等效串聯(lián)電阻(ESR)最小的原則選取輸出濾波電容．同時(shí)應(yīng)使電容盡量靠近SP6641B。因此，這里選取元件參數(shù)：C1、C2分別為100μF、330μF鉭電容，C3為1μF的陶瓷電容。在調(diào)試中，如果省略電容C3，電源電壓會非常不穩(wěn)定，因此，在設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)將其與SP6641B的盡可能靠近放置。

3．4 測試結(jié)果

經(jīng)測試，手持設(shè)備在動(dòng)態(tài)時(shí)(無線模塊處于發(fā)射和接收狀態(tài))的電流僅31．5 mA；靜態(tài)時(shí)的電流僅20μA。

(1)2節(jié)堿性電池輸入 采用已用的堿性電池，測試不同輸入電壓情況下的電源穩(wěn)壓值，由于堿性電池電壓的離散性，因此只需測量幾個(gè)離散電壓值即可。當(dāng)Vin分別為3．1 V、2．96 V、2．83 V、2．66 V、2．4 V、2．14 V時(shí)，Vout為3．3 V，系統(tǒng)工作正常；但當(dāng)Vin為2．14 V，靜態(tài)時(shí)Vout為3．3 V，而動(dòng)態(tài)時(shí)，Vin下降為1．7 V。

(2)1節(jié)堿性電池輸入 當(dāng)Vin>1．34 V時(shí)，Vout=3．3 V，系統(tǒng)工作正常；當(dāng)Vin=1．2 V或1．07 V時(shí)，Vout為3．3 V，系統(tǒng)不能正常工作，測試發(fā)現(xiàn)Vin在系統(tǒng)工作時(shí)下降到0．8 V、0．6 V。

由上述測試結(jié)果表明：SP6641最低啟動(dòng)電壓可達(dá)0．9 V，但若使用堿性電池供電，電池自身將消耗更多能量，使用單節(jié)電池供電將影響電源的使用時(shí)間，而2節(jié)堿性電池供電影響會小一些。

4 結(jié)束語

基于SP6641B手持設(shè)備電源設(shè)計(jì)應(yīng)用效果良好。由于SP6641器件體積小，輸出電壓穩(wěn)定，轉(zhuǎn)換效率高，可方便地在節(jié)能模式下工作，且具有高性價(jià)比，因此在便攜式電池供電設(shè)備領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。