中心論題：
- 硬開關(guān)電路設(shè)計(jì)實(shí)例。
- 軟開關(guān)電路設(shè)計(jì)實(shí)例。
- 升壓型DC/DC轉(zhuǎn)換器的電路結(jié)構(gòu)。
解決方案：
- 由特定器件構(gòu)成的充放電回路有效地消除鍵的抖動(dòng)。
- 通過74HC14三個(gè)帶施密特觸發(fā)器的反相器濾波整形產(chǎn)生波形完整的單脈沖。
- RN5RK331A DC/DC轉(zhuǎn)換器保證在電池的整個(gè)壽命周期內(nèi)機(jī)器穩(wěn)定工作。
- 周期性的開關(guān)操作使電池能量源源不斷地送入負(fù)載。
隨著信息時(shí)代的來臨，手持電子產(chǎn)品層出不窮(如PDA、數(shù)碼相機(jī)、手機(jī)等)。這些產(chǎn)品主要采用電池供電，在此類產(chǎn)品中如何設(shè)計(jì)電源管理電路，確保產(chǎn)品的實(shí)用性、經(jīng)濟(jì)性成為產(chǎn)品設(shè)計(jì)的關(guān)鍵問題。本文從設(shè)計(jì)手持產(chǎn)品的工作實(shí)踐出發(fā)，討論兩種典型的電池供電電路的設(shè)計(jì)情況。
硬開關(guān)電路設(shè)計(jì)實(shí)例
硬開關(guān)電路是將2節(jié)7號(hào)電池的串聯(lián)電壓通過DC/DC轉(zhuǎn)換器MAX756轉(zhuǎn)換成3.3 V的電壓，電路圖如圖1所示。如果不經(jīng)升壓電路而直接由電池供電，那么因電池端產(chǎn)生的電壓存在一個(gè)由高到低的下降過程。2節(jié)新電池的串聯(lián)電壓在3 V以上，隨著能量的耗盡，會(huì)下降到2V以下，導(dǎo)致機(jī)器無法正常工作。JM2按鍵為開/關(guān)機(jī)鍵，在按動(dòng)JM2時(shí)，由于按鍵的抖動(dòng)，會(huì)產(chǎn)生誤動(dòng)作。由R20, C13, R21,R22, R23, V9構(gòu)成的充放電回路，作用是通過適當(dāng)?shù)剡x擇R20,C13,R21的值，使充放電回路的充電時(shí)間與放電時(shí)間都大于鍵抖動(dòng)時(shí)間，從而有效地消除鍵的抖動(dòng)。V9集電極輸出的按鍵脈沖經(jīng)去抖后，再通過U25 (74HC14)三個(gè)帶施密特觸發(fā)器的反相器進(jìn)一步濾波整形，產(chǎn)生波形完整的單脈沖。由該脈沖觸發(fā)U24A(74HC74 D觸發(fā)器)的翻轉(zhuǎn)。
圖1中:
① 若U24A的5腳Q端輸出高電平，則6腳Q端輸出低電平，該低電平輸入到MAX756的1腳禁止端(低電平有效)。此時(shí)MAX756處于關(guān)斷狀態(tài)，但由于DC/DC轉(zhuǎn)換電路中的脈沖整流管V5的存在，電池電壓仍然經(jīng)V5到達(dá)DC/DC的輸出端6腳。因此，在電路中還必須加一個(gè)晶體管V11作為開關(guān)元件。在U24A的6腳Q端輸出低電平使MAX756處于禁止?fàn)顟B(tài)時(shí)，U24A的5腳Q端輸出高電平使晶體管V11處于截止?fàn)顟B(tài)，從而使電池到主電路的電源VCC的通路處于徹底關(guān)斷狀態(tài)，機(jī)器處于關(guān)機(jī)狀態(tài)，并且關(guān)機(jī)時(shí)整機(jī)電流為最小，經(jīng)測(cè)量不超過5uA。
② 當(dāng)按鍵脈沖觸發(fā)U24A(74HC74 D觸發(fā)器)翻轉(zhuǎn)，U24A的5腳Q端輸出低電平，6腳Q端輸出高電平時(shí)，MAX756處于工作狀態(tài)，因輸出電壓控制端2腳為高電平，所以輸出+3.3 V的電壓。同時(shí)，U24A的5腳Q端輸出低電平促使晶體管V11處于導(dǎo)通狀態(tài)，這樣MAX756輸出可為主電路提供工作電源，機(jī)器處于開機(jī)狀態(tài)。
在開機(jī)狀態(tài)下，單片機(jī)的輸出SWPW保持為低電平。當(dāng)單片機(jī)將SWPW輸出改為高電平時(shí)，通過V10構(gòu)成的反相電路輸出低電平，使U24A置1端有效，U24A的5腳Q端輸出高電平，6腳Q端輸出低電平，機(jī)器將被關(guān)機(jī)，所以SWPW可作為“自動(dòng)關(guān)機(jī)”信號(hào)。由于在單片機(jī)上電復(fù)位時(shí)1/O口輸出為高電平，復(fù)位時(shí)的SWPW高電平會(huì)引起“復(fù)位誤關(guān)機(jī)”現(xiàn)象。為防止這種現(xiàn)象的發(fā)生，在SWPW輸出電路中加了由R25,C14構(gòu)成的充電回路，適當(dāng)選擇R25,C14的取值，復(fù)位后在R25,C14充電回路未充到V10導(dǎo)通的閥值電平0.7 V 之前將SWPW置為低電平，便可避免“復(fù)位誤關(guān)機(jī)”現(xiàn)象。
MAX756的5腳LBI是電池低電壓的檢測(cè)引腳，如果該引腳上的電壓下降到內(nèi)部參考基準(zhǔn)電壓1.25 V以下，MAX756的4腳LBO(漏極開路型輸出)便會(huì)輸出低電平，可作為電池低壓報(bào)警信號(hào)。報(bào)警電壓點(diǎn)的設(shè)定依據(jù)有兩個(gè)。
① 國(guó)標(biāo)要求電池終止電壓為0.9 V 。經(jīng)過實(shí)際測(cè)量，當(dāng)2節(jié)7號(hào)電池的串聯(lián)電壓降到2V以下時(shí)，電池能量即將耗盡，已不能維持產(chǎn)品持續(xù)穩(wěn)定工作。因此將電池低壓檢測(cè)報(bào)警點(diǎn)設(shè)定在2 V。
② MAX756的報(bào)警電壓U低計(jì)算公式為:
之所以稱該電路為硬開關(guān)電路，主要原因在于按下JM2便可實(shí)現(xiàn)開關(guān)機(jī)，無須再由單片機(jī)來輔助。SWPW的作用是實(shí)現(xiàn)定時(shí)自動(dòng)關(guān)機(jī)。接下來講的電池供電電路在按鍵控制開關(guān)機(jī)時(shí)必須有單片機(jī)來輔助才行。
軟開關(guān)電路設(shè)計(jì)實(shí)例
在圖2所示的電源管理電路中，采用了日本理光公司的RN5RK331A DC/DC轉(zhuǎn)換器，將電池提供的電壓變換為3.3 V的電壓后再供給主電路，保證在電池的整個(gè)壽命周期內(nèi)機(jī)器都能穩(wěn)定工作。
該電路的開/關(guān)機(jī)的過程分為這樣兩種情況:
① 在關(guān)機(jī)狀態(tài)下，JM16鍵作為開機(jī)鍵使用。按下JM16，電池電壓經(jīng)V1到達(dá)V5的基極，促使V5和V7導(dǎo)通;電池電壓經(jīng)V7到DC/DC轉(zhuǎn)換器RN5RK331A 的輸入端和使能端，DC/DC轉(zhuǎn)換器開始工作，向主電路輸出3.3 V電源。支付密碼器進(jìn)入開機(jī)狀態(tài)后，再由單片機(jī)的P3.6輸出低電平并經(jīng)反相后通過V2使V5和V7保持導(dǎo)通狀態(tài)，這樣即使JM16鍵松開后，支付密碼器也能維持開機(jī)狀態(tài)，P3.6 輸出低電平起到開機(jī)自保的作用。
② 在開機(jī)狀態(tài)下，JM16鍵作為關(guān)機(jī)鍵使用。未按下JM16鍵時(shí)，SWH信號(hào)點(diǎn)為低電平。按下JM16鍵，SWH信號(hào)點(diǎn)為高電平，這一信號(hào)變化通過鍵盤接口被單片機(jī)讀取;在開機(jī)時(shí)檢測(cè)到JM16的閉合，可確定為關(guān)機(jī)命令;等到JM16鍵松開后，單片機(jī)的P3.6輸出高電平并經(jīng)反相后通過V2使V5和V7變?yōu)榻刂範(fàn)顟B(tài)，支付密碼器因?yàn)闆]有電源供給而關(guān)機(jī)。在該供電電路中晶體管V7是電池供電的開關(guān)元件，將它設(shè)在DC/DC轉(zhuǎn)換電路的前面，關(guān)機(jī)時(shí)將DC/DC轉(zhuǎn)換器的供電回路完全切斷，進(jìn)一步減小了關(guān)機(jī)時(shí)的漏電流。整機(jī)關(guān)機(jī)后，經(jīng)檢測(cè)，關(guān)機(jī)電流小于5uA。圖2中的電池低電壓檢測(cè)報(bào)警由日本理光公司的RN5VT20CA(U9)實(shí)現(xiàn)，檢測(cè)電壓為固定值2V。
與圖1相比較，用JM16鍵開機(jī)后，還必須利用單片機(jī)P3.6 輸出低電平實(shí)現(xiàn)開機(jī)自保，因此稱該電路為“軟開關(guān)電路”。使用該軟開關(guān)電路的優(yōu)點(diǎn)是無須考慮按鍵去抖動(dòng)問題，硬件電路簡(jiǎn)單，可降低硬件成本，節(jié)約印制板板面，在手持式產(chǎn)品中印制板板面是非常寶貴的(元器件的數(shù)量直接影響印制板的大小和產(chǎn)品整體外觀)。缺點(diǎn)是當(dāng)受到外界強(qiáng)信號(hào)干擾或由于電池電量不足而引起死機(jī)時(shí)，按鍵JM16將不起作用，必須取出電池，再重新裝入方能解決死機(jī)現(xiàn)象。當(dāng)然這種情況出現(xiàn)的機(jī)率極低，且因電池電量不足而引起死機(jī)時(shí)，就需要更換電池了。而圖1的硬開關(guān)電路中，當(dāng)碰到死機(jī)現(xiàn)象時(shí)，無需觸摸電池，通過按鍵JM2就能實(shí)現(xiàn)開機(jī)和關(guān)機(jī)。
電源濾波
在以上介紹的DC/DC轉(zhuǎn)換電路中，采用的是DC/DC升壓轉(zhuǎn)換器件，升壓型DC/DC轉(zhuǎn)換器的電路結(jié)構(gòu)如圖3所示。
開關(guān)K導(dǎo)通時(shí)電池BT給電感L充電，在L中以場(chǎng)的形式儲(chǔ)存能量1/(2L×I2)。 其中，I為電感電流。K斷開后，L中的磁能又以電能的形式釋放給濾波電容C2和負(fù)載RL。周期性的開關(guān)操作使電池能量源源不斷地送入負(fù)載，而輸出電壓被轉(zhuǎn)換為:
Vout = Vin/(1-δ)
式中，δ為開關(guān)占空比(導(dǎo)通時(shí)間占工作周期的比率)。控制電路監(jiān)測(cè)輸出電壓并控制占空比，從而達(dá)到調(diào)節(jié)和穩(wěn)定輸出電壓的目的。本文介紹的DC/DC升壓轉(zhuǎn)換器件的控制方式均為PFM(脈沖頻率調(diào)制)，具有較小的靜態(tài)電流，輕載情況下效率較高，但紋波稍大。為保證主電路穩(wěn)定工作，必須考慮對(duì)電源輸出進(jìn)行濾波。一般采用無源濾波電路來進(jìn)行濾波，無源濾波的主要形式有電容濾波、電感濾波和復(fù)式濾波(包括倒L型,LCπ型濾波和RCπ型濾波等)。當(dāng)采用電感濾波或復(fù)式電感型濾波時(shí)，需采用電感量高、體積大的電感，對(duì)手持、便攜式產(chǎn)品并不適用，所以在負(fù)載電流較小的場(chǎng)合，采用RCπ型濾波，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)，濾波效果也比較好。濾波電容的等效串聯(lián)電阻<ESR)是造成輸出紋波的主要因素，電容的材質(zhì)應(yīng)選擇具有較低ESR的陶瓷電容、鋁電解電容和鈕電解電容，應(yīng)盡量避免標(biāo)準(zhǔn)鋁電解電容。采用RCn型濾波時(shí)，輸出電壓兩端的脈動(dòng)系數(shù)S=1/(Kω×C×R)。K為常數(shù)，由該公式可知，在ω值一定的情況下，R愈大，C愈大，則脈動(dòng)系數(shù)愈小，也就是濾波效果就越好。R值增大時(shí)，電阻上的直流壓降會(huì)增大，這樣就增大了直流電源的內(nèi)部損耗;若增大C的電容量，又會(huì)增大電容器的體積和重量，也不易實(shí)現(xiàn)，因此電容的容量一般為10-100 uF，電阻的值一般在10 Ω以下。
結(jié)語
以上介紹的兩種電池供電電路，都是將電池電壓轉(zhuǎn)換為+3.3 V直流電壓，為單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)提供工作電源的DC/ DC升壓電路。這類電路主要用在由2節(jié)7號(hào)電池供電的PDA、手持終端等產(chǎn)品中，其他類產(chǎn)品(如手機(jī)、數(shù)碼相機(jī))的電池供電電路會(huì)有所不同，但工作原理基本相似。在電池供電電路的設(shè)計(jì)中，都會(huì)面臨如何實(shí)現(xiàn)開關(guān)機(jī)、降低關(guān)機(jī)電流、減小輸出電源中的紋波和干擾信號(hào)、提高轉(zhuǎn)換效率等一系列問題。只有妥善地解決這些問題，才能確保產(chǎn)品穩(wěn)定可靠地工作。本文所講的兩個(gè)實(shí)例較好地解決了這方面的問題，已經(jīng)在產(chǎn)品中實(shí)際應(yīng)用，效果良好。當(dāng)然隨著新器件的不斷涌現(xiàn)，還需不斷地改進(jìn)和完善此類電路的設(shè)計(jì)，以提升產(chǎn)品的整體性能。
