便攜式儀表電源的設(shè)計(jì)

1、便攜式儀表電源的設(shè)計(jì)在微技術(shù)基礎(chǔ)上進(jìn)展起來的及其外圍器件，使儀表技術(shù)進(jìn)入了一個(gè)嶄新的智能化時(shí)代。此外，工藝的進(jìn)展使器件普遍地采納技術(shù)，cmos器件不僅器件的體積越來越小，也為實(shí)現(xiàn)低、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進(jìn)展前景。從用法者的角度來說，希翼便攜式儀表在大多數(shù)狀況下都能攜帶便利，操作容易，無需復(fù)雜維護(hù)又能長(zhǎng)時(shí)光牢靠地工作。為滿足以上要求，一方面要挑選合適的低功耗器件，另一方面也對(duì)的設(shè)計(jì)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，使得一般的電池就能為系統(tǒng)提供充沛的電能，因此，利用單一的電池電源，來滿足系統(tǒng)中各

2、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)，其硬件的普通結(jié)構(gòu)1所示。將其根據(jù)功能模塊劃分并分析各模塊電源需求如下：模塊包括傳感器及其驅(qū)動(dòng)和傳感器輸出信號(hào)處理電路。傳感器及其驅(qū)動(dòng)電路通常以為主，輸出信號(hào)處理普通用法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，普通還需要提供對(duì)照度調(diào)整電壓，lcd有正、負(fù)極性之分，不同的顯示器需要的對(duì)

3、照度調(diào)整電壓也不同，普通在±28v之內(nèi)。單片機(jī)及其接口模塊作為囫圇系統(tǒng)的核心，單片機(jī)要銜接和管理其他的模塊，與不同的模塊銜接，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；無數(shù)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)光保留歷史信息；另一些便攜式儀表提供rs232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。這一模塊用法到的都是各種ic芯片，普通來說都要求3.3v或5v。從以上的分析可以看出，系統(tǒng)中各個(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

4、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全都。比如傳感器模塊有5v的電壓需求，那么在單片機(jī)及其接口器件的挑選時(shí)，就應(yīng)盡量挑選5v供電的ic芯片。盡管如此，設(shè)計(jì)時(shí)仍不行避開地會(huì)碰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(duì)照度調(diào)整電壓的輸出。設(shè)計(jì)電源模塊時(shí)要按照不同的電源輸入輸出要求挑選相應(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容易，體積盡可能小。2 電源穩(wěn)壓變換器件市場(chǎng)上可供挑選的電池規(guī)格多種多樣，除了較常規(guī)的1.2

5、v（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，還有各種特別的3、4.5、5、6v和12v的電池可供挑選，但從用法者更換或購買備用電池便利性的角度考慮，應(yīng)盡可能用法互換性更好的一般電池。完成電源穩(wěn)壓變換可供挑選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，還實(shí)用于確保電源正常供電的各類電源監(jiān)控管理器件。便攜式儀表本身的功耗較小，普通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)，因?yàn)榻?jīng)過一段時(shí)光的放電后，電池電壓

6、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)變幻；普通都要求雙電壓輸出。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，簡(jiǎn)單通過變換，產(chǎn)生多種類型的輸出電壓，十分適合于用法電池供電的系統(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（）、脈沖頻率調(diào)制式（pfm）和開關(guān)泵式；按輸入電壓不同可以分為升壓式、降壓式和可分離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。

7、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(jì)較容易；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)；開關(guān)電容泵式轉(zhuǎn)換器的外圍電路容易，適用于小輸出電流的電源變換。從外圍電路的復(fù)雜程度來看，固定電壓輸出的比可調(diào)電壓輸出的容易，單一電壓輸出的比多路電壓輸出的容易。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用法兩節(jié)5號(hào)干電池，提供10v的lcd對(duì)照度調(diào)整負(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。按照這個(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計(jì)劃。3.1 用法雙電壓輸

8、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0.75.5v；主輸出2.55.5v（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；其次輸出可為lcd對(duì)照度調(diào)整提供2828v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。其他性能還包括：20a靜態(tài)工作電流；1a關(guān)斷維持電流；電池欠電壓監(jiān)測(cè)。因?yàn)閙ax1677輸入電壓范圍（0.75.5v）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，靈便地挑選電池的種類，比如13節(jié)一般干電池、堿性電池、鎳鎘充電電池或

9、1節(jié)鋰電池均可以使系統(tǒng)正常工作。用法max1677的電源模塊實(shí)際電路原理圖2所示。圖2中的一些電路參數(shù)的解釋如下：磁芯l1、l2可選用coilcraft（線藝）的do1608c-103表貼磁芯電感，電感值為10h；肖特基d1、d2也可選用其他型號(hào)，只要反向耐壓大于16v即可；r1和r2的比值打算了lcd對(duì)照度輸出的電壓值vlcd（對(duì)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500k2m；電阻r3和r4的比值打算了主輸出電壓值vout(對(duì)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1

10、0200k；電阻r5和r6的比值打算了系統(tǒng)欠電壓監(jiān)測(cè)的門檻電壓值vtrip，關(guān)系式為r5=r6×(vtrip/0.614v)1，其中r6130k。當(dāng)電池電壓正常時(shí)，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(shí)，lbo管腳輸出變?yōu)榈碗娖健＜偃绮挥梅ㄇ冯妷罕O(jiān)測(cè)的話，只需將第3管腳（lbi）接地。用法0805表貼元件，則此電源模塊在電路板上實(shí)際尺寸惟獨(dú)22mm×17mm。此電源模塊的應(yīng)用比較靈便，可以按照實(shí)際系統(tǒng)的需要，根據(jù)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 用法單電壓輸出的dc/dc變換

11、器從系統(tǒng)中其它器件上借用輔助電源對(duì)于電路中還包括rs-232串行接口的系統(tǒng)來說，還有一種僅用法單輸出dc/dc電壓變換器件就能滿足上述要求的電源處理辦法：選用單電壓輸出dc/dc變換器得到5v輸出，用法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(duì)照度調(diào)整負(fù)電壓。普通來說，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無數(shù)，挑選的余地較大，外圍電路也更容易一些，這里不作特殊解釋。以下主要給出借助max202e得到10v電壓輸出的辦法。max202e是5v供電的雙路rs-232驅(qū)動(dòng)器，它的內(nèi)部還包含了5v及±1

12、0v的兩個(gè)電荷泵電壓轉(zhuǎn)換器，其中倍壓輸出電荷泵用法電容c1，在輸出濾波電容c3上得到10v輸出；倒相電荷泵用法電容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；正常的用法中，這5個(gè)電容都可以用法一般的0.1f電容，其典型電路銜接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用法時(shí)，只需增大相應(yīng)的電荷泵電容c1或c2（10f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（10f以內(nèi)），則可減小電源的輸出阻抗。用法這種辦法也不失為一種簡(jiǎn)化外圍電路的好方法。4 結(jié)語便攜式儀表是儀表行業(yè)的一個(gè)進(jìn)展趨勢(shì)，它的硬件可以看作是一個(gè)完整的單片機(jī)系統(tǒng)，包括了多種形式的輸入輸出，囫圇系統(tǒng)的是一個(gè)重要的問題，在設(shè)計(jì)詳細(xì)的電源模塊時(shí)要注重如下幾個(gè)方面：為降低系