摘要： 針對鋰電池供電的Radio Frequency IDentification( RFID) 手持機對電源高效率的要求和微處理器對電源低紋波的要求，提出了一種電源設計方案。簡要介紹了各種電源芯片的特點和手持設備電源芯片選型需要注意的問題，重點闡述了電源方案選擇、芯片選型和電路的設計。采用DC - DC 穩壓器可以達到較高的效率，在DC-DC 穩壓器的后邊加LowDropOut regulator( LDO) 可以有效地抑制紋波。測試結果表明，該電源的效率在83 %以上，為處理器供電的電源波動在±2 %以內，其他電源的波動在± 3 %以內。

　　引言

　　RFID 手持設備對電源的效率、使用壽命、可靠性、體積、成本等方面有較高的要求。因此，設計一個穩定性好、效率高、雜散小的電源對于RFID 手持機有著十分重要的意義。

　　1 RFID 手持機硬件結構

　　在基于嵌入式系統的RFID 手持機系統設計中，以微處理器LPC2142 為主控制器，根據系統的需求外擴了SRAM、Flash、SD 卡、鍵盤、LCD 顯示、聲響提示進行數據處理、數據存儲、人機交互以及出錯報警提示，通過USB 接口可以與主機進行數據通信，背光模塊可以為LCD 和鍵盤提供背光，電壓檢測模塊通過核心處理器的A/D 轉換器進行電池電壓的檢測，從而間接檢測出電池的剩余電量，RF 模塊能夠進行讀寫器與標簽之間射頻信號的收發，通過JTAG 接口可以進行程序的調試與下載。電源部分可以為系統中需要電源的各個模塊提供電源，這是本文設計的重點內容。系統硬件結構框圖如圖1 所示。

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　　圖1 系統硬件框圖

　　2 需求電源的指標

　　經設計并計算，該系統需要兩種電壓的電源，一路是3. 3 V 的，為鍵盤、LCD 復位電路、所外擴的存儲器、RF 模塊供電; 另一路是5 V 的，為系統的聲響提示電路以及鍵盤和LCD 的背光電路提供電源。為方便攜帶，系統采用電池供電，欲達到性能指標如下：

　　( 1) 電源轉化效率≥80 %;

　　( 2) 輸出電流要求： 3. 3 V 輸出電流500 mA; 5 V輸出電流300 mA;

　　( 3) 兩路電源電壓的波動均控制在± 5 %以內;

　　( 4) 可以通過USB 輸入對電池進行充電。

　　3 各種電源芯片的特點及選型注意事項

　　3. 1 各種電源芯片特點比較

　　表1 是4 種電源芯片的比較。

　　表1 4 種電源芯片的比較

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　　注： LDO 為Low DropOut 的縮寫，即低壓差線性穩壓器。

　　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，很容易誤導沒有經驗的設計者。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。這一點十分關鍵，決定系統設計的成敗，應引起高度重視。

　　其次，手持設備的電源設計中，要注意芯片的靜態電流，這一點對系統的待機時間影響很大，好的電源芯片的靜態電流在μA 級，較差的芯片在mA 級，相差上千倍，靜態電流越小，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的，當輸出電流很小或很大時，效率都會變得較差，需要根據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 輸出的電壓轉換芯片，TPS63031 在輸入電壓在2. 4 ～ 5. 5 V 范圍內，通過升壓或者降壓工作模式輸出高達800 mA 的電流，在節能模式下，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 的靜態電流僅為500 nA，這正符合電池供電的手持系統節能的要求。

　　5 電源電路設計

　　仔細閱讀芯片手冊，設計并繪制出如圖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 穩壓器，U4 是LDO，DC-DC 的3. 3 V輸出經過該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，作用是改善暫態響應，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。

　　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是指示充電狀態用的，/CHG 管腳接微處理器的GPIO 管腳，當處于充電狀態時，該引腳輸出低電平; 當/CHG 變為高阻態時，表示電池已經充滿。

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　　圖2 系統電源電路圖

　　6 調試

　　6. 1 調試步驟

　　按照原理圖上的參數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該存在的短路現象。

　　6. 2 調試注意事項

　　電源系統的調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。

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

　　比較復雜的系統，應該先焊接、檢查、調試系統的電源，調試成功后再調試其他模塊。

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

　　加電后若聽到芯片發出聲音，應該切斷電源，檢查出現問題電路中有沒有短路的情況，查出問題后再繼續加電調試。

　　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 結論

　　經測試，3. 3 V 電源的輸出電壓波動在0. 097V 以內，3. 2 V 的輸出波動在0. 05 V 以內，5 V 輸出的波動在0. 1 V 以內，即各路電壓的波動均在±3 % 以內，通過外接相應額定功率電阻時，各元件均工作正常，即系統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。總之，系統的各項指標均達到了預期的要求。