高效率RFID手持機電源設(shè)計

　3. 2 選型注意事項

　　首先，必須要正確選擇電源芯片類型。要明確輸入電壓和所需要的輸出電壓，進而確定是升壓、降壓還是升/降壓。特別要注意的是，普通線性穩(wěn)壓器、LDO和Buck（ 或Step-down） 型DC-DC 只能降壓，不能升壓，Boost（ 或Step-up） 型DC-DC 只能升壓不能降壓。

　　強調(diào)這一點的原因是，一些芯片（ LDO 或者降壓型DC-DC） 的手冊給出的輸入電壓范圍和輸出電壓范圍都很寬，很容易誤導沒有經(jīng)驗的設(shè)計者。手冊中的輸出電壓范圍，很多都是針對給出的輸入電壓范圍的，對于特定的輸入電壓，在很多情況下，實際的輸出是達不到給出的輸出電壓的。這一點十分關(guān)鍵，決定系統(tǒng)設(shè)計的成敗，應(yīng)引起高度重視。

　　其次，手持設(shè)備的電源設(shè)計中，要注意芯片的靜態(tài)電流，這一點對系統(tǒng)的待機時間影響很大，好的電源芯片的靜態(tài)電流在μA 級，較差的芯片在mA 級，相差上千倍，靜態(tài)電流越小，電池的電能耗散就越少，壽命就越長。

　　再次，注意要從實際的負載來考察效率。電源效率與輸出電流是密切相關(guān)的，當輸出電流很小或很大時，效率都會變得較差，需要根據(jù)需要的電流來選擇電源芯片，以達到效率最大化。

　　4 方案選擇及芯片選型

　　4. 1 方案選擇

　　方案1: 3. 3 V 輸出采用LDO，5V 輸出采用電荷泵。

　　方案2: 3. 3 V 輸出采用Buck /Boost 型DC-DC，5V 輸出采用升壓型DC-DC。

　　由于鋰離子電池的電壓范圍變化較寬，在2. 5V ～ 4. 2 V（ 4. 2 V 是滿充可以達到的電壓） 之間都應(yīng)該有正常的電源輸出電壓，如果采用3. 3 V 輸出的LDO，由于要滿足輸入輸出的最小壓差的要求，當電池電壓降到3. 4 V 左右時，電源可能達不到輸出3. 3 V 電壓了。采用電荷泵輸出5 V，當輸入輸出電壓比較接近時電荷泵的效率不會很高。采用第二種方案可以最大限度地提高電源轉(zhuǎn)化效率，延長電池的使用時間。

　　綜合考慮以上的比較，選擇第二種方案。

　　4. 2 芯片選型

　　通過查詢，決定采用TI 的兩個芯片TPS63031 和TPS61240 分別作為3. 3 V 輸出和5 V 輸出的電壓轉(zhuǎn)換芯片，TPS63031 在輸入電壓在2. 4 ～ 5. 5 V 范圍內(nèi)，通過升壓或者降壓工作模式輸出高達800 mA 的電流，在節(jié)能模式下，當輸出電流在100 ～ 500 mA 之間變化時，效率均在80 % 以上。TPS61240 是可以工作在3. 5 MHz 的升壓DC-DC，輸出電流可以達到450mA，具有PFM/PWM 工作模式，當負載電流在200 mA左右時，可以在電池的電壓范圍內(nèi)提供80 %以上的效率。

　　由于微處理器對電源紋波要求較高，所以在3. 3V 輸出的后邊增加了一個LDO，以濾除DC-DC 輸出較大的紋波，提高輸出電壓的穩(wěn)壓精度。由于要滿足壓差和處理器可靠工作電壓的要求，選輸出電壓比3. 3V 低的TPS78320，可以輸出3. 2 V 電壓，最大可以輸出150 mA 的電流，這個電壓滿足微處理器LPC2142可靠工作電源電壓范圍（ 3. 0 V ～ 3. 6 V） 和電流需求。

　　此外，該LDO 的靜態(tài)電流僅為500 nA，這正符合電池供電的手持系統(tǒng)節(jié)能的要求。

　　5 電源電路設(shè)計

　　仔細閱讀芯片手冊，設(shè)計并繪制出如圖2 所示的電源電路原理圖。

　　圖2 中的U2、U3 分別是3. 3 V 輸出和5 V 輸出的DC-DC 穩(wěn)壓器，U4 是LDO，DC-DC 的3. 3 V輸出經(jīng)過該LDO 進行有源濾波后為微處理器提供3. 2 V 左右的電源，U1 是Maxim 公司的鋰離子電池充電管理芯片MAX1555，可以通過USB 對鋰離子電池充電。

　　電路中的電容C1、C5、C7、C3為芯片的輸入濾波電容，作用是改善暫態(tài)響應(yīng)，抑制噪聲和紋波。C4、C6、C8、C2為芯片的輸出電容，作用是保持電路穩(wěn)定和濾波。其中C1和C4要采用額定電壓不小于6. 3V 的X7R 陶瓷電容，其他電容采用額定電壓不小于6. 3 V 的X5R 陶瓷電容，當然采用X7R 的電容效果或更好，但是價格要貴一些。L1和L2要采用額定電流不小于輸出電流2 倍且直流電阻較小的電感，這樣可以降低電路的損耗。[!--empirenews.page--]

　　圖2 中兩個肖特基二極管IN1 和IN2 可以起到保護電池的作用，IN1 是為了防止USB 電源將電池反向擊穿，IN2 的作用是避免電池與U1 形成進行自充環(huán)路，這兩個二極管缺一不可。充電器的管腳/CHG 右邊上拉電阻R1是指示充電狀態(tài)用的，/CHG 管腳接微處理器的GPIO 管腳，當處于充電狀態(tài)時，該引腳輸出低電平； 當/CHG 變?yōu)楦咦钁B(tài)時，表示電池已經(jīng)充滿。

圖2 系統(tǒng)電源電路圖

　　6 調(diào)試

　　6. 1 調(diào)試步驟

　　按照原理圖上的參數(shù)在印制電路板上焊接好元器件之后，仔細檢查元器件的取值、焊接方向、元器件的極性是否焊接正確，用萬用表仔細檢測元器件的焊接是否存在虛焊，靠得比較近的元器件是否存在不應(yīng)該存在的短路現(xiàn)象。

　　6. 2 調(diào)試注意事項

　　電源系統(tǒng)的調(diào)試首先要確保電源和地不能短路，否則電池會有被燒掉的危險。

　　分模塊進行調(diào)試，焊接一個檢查并調(diào)試一個，當各個模塊都沒有問題時再進行總體調(diào)試。

　　比較復(fù)雜的系統(tǒng)，應(yīng)該先焊接、檢查、調(diào)試系統(tǒng)的電源，調(diào)試成功后再調(diào)試其他模塊。

　　加電后首先要用手摸一下各個芯片是否發(fā)燙，如果發(fā)燙，為避免芯片長時間發(fā)燙被燒毀，則首先要切斷電源，待查明原因后再加電調(diào)試。

　　加電后若聽到芯片發(fā)出聲音，應(yīng)該切斷電源，檢查出現(xiàn)問題電路中有沒有短路的情況，查出問題后再繼續(xù)加電調(diào)試。

　　為方便查找出問題，至少要焊接兩塊板子，以方便測試時進行對比，查找問題的所在。

　　7 結(jié)論

　　經(jīng)測試，3. 3 V 電源的輸出電壓波動在0. 097V 以內(nèi)，3. 2 V 的輸出波動在0. 05 V 以內(nèi)，5 V 輸出的波動在0. 1 V 以內(nèi)，即各路電壓的波動均在±3 % 以內(nèi)，通過外接相應(yīng)額定功率電阻時，各元件均工作正常，即系統(tǒng)可以輸出給定的電流。通過輸入電流電壓和輸出電流電壓的測量，計算得到的效率均在83 % 以上?？傊?，系統(tǒng)的各項指標均達到了預(yù)期的要求。