一种高效率RFID手持机电源设计方案

文章来源：博能科技发布时间：2017-05-31 访问量：人

引言

RFID手持设备对电源效率、使用寿命、可靠性、体积、成本等方面有较高要求。因此，设计个稳定性好、效率高、杂散小电源对于RFID手持机有着十分重要意义。

1 RFID 手持机硬件结构

在基于嵌入式系统RFID手持机系统设计中，以微处理器LPC2142为主的控制器，根据系统需求外扩了SRAM、Flash、SD 卡、键盘、LCD 显示、声响提示进行数据的处理、数据存储、人机交互及出错报警提示，通过USB 接口能够与主机进行数据通信，背光模块可为LCD与键盘提供背光，电压检测模块通过核心处理器的A/D 转换器进行电池电压检测，从而间接检测出电池剩余电量，RF 模块能够进行读写器与标签之间射频信号的收发，通过JTAG 接口可以进行程序的调试和下载。电源部分可为系统中需要电源的各个模块提供电源，这是本文设计重点内容。系统的硬件结构框图如图1所示。

图1 系统硬件框图

2 需求电源的指标

经设计并计算，这个系统需要两种电压的电源，一路是3. 3 V 的，为键盘、LCD 复位电路、所外扩的存储器、RF 模块供电; 另一路是5 V 的，　为系统声响提示电路及键盘和LCD的背光电路提供电源。为了方便携带，系统采用的电池供电，欲达到性能的指标如下：

　　( 1) 电源转化效率≥80 %;

　　( 2) 输出电流要求：3. 3 V 输出的电流500 mA; 5 V输出电流300 mA;

　 ( 3) 两路电源电压波动均控制在± 5 %以内;

　　( 4) 能够通过USB输入对电池进行充电。

3 各种电源芯片的特点以及选型注意事项

　　3. 1 各种电源芯片特点的比较

　　表1 是4 种电源芯片比较。

　　表1 4 种电源芯片比较

注： LDO 是Low DropOut 的缩写，低压差线性稳压器。

3. 2 选型注意事项

首先，必须要正确选择电源的芯片类型。要明确输入电压跟所需要的输出电压，进而确定了是升压、降压还是升/降压。特别要注意的是，普通线性稳压器、LDO和Buck( 或Step-down) 型DC-DC 只能降压，不能升压，Boost( 或Step-up) 型DC-DC 只能升压不能降压。

强调这一点的原因是，一些芯片( LDO 或者降压型DC-DC) 的手册给出的输入电压范围和输出电压范围都很宽，很容易误导没有经验的设计者。　手册中输出电压范围，很多都是针对给出输入电压范围的，对特定的输入电压，在很多的情况下，实际输出是达不到给出输出电压的。　这一点十分关键，决定系统设计的成败，应引了起高度的重视。其次，手持设备的电源设计当中，要注意芯片静态电流，这一点对系统待机的时间影响很大，好的电源芯片静态电流在μA 级，较差芯片在mA 级，相差上千倍，静态电流越小，电池电能耗散就越少，寿命就会越长。

　　再次，注意要从实的负载来考察效率。电源效率和输出电流是密切相关的，当输出电流很小或是很大的时候，效率就会变得较差，需要根据需要的电流来选择电源的芯片，从而达到效率最大化。

4 方案选择以及芯片选型

　　4. 1 方案选择

　　方案1: 3. 3 V 输出采用了LDO，5V 输出采用电荷泵。

　　方案2: 3. 3 V 输出采用了Buck /Boost 型DC-DC，5V 输出采用了升压型DC-DC。

　　由于锂离子电池的电压范围变化的较宽，在2. 5V ～ 4. 2 V( 4. 2 V 是满充可以达到的电压) 之间都能够有正常的电源输出电压，如果采用3. 3 V 输出的LDO，由于要满足输入输出最小压差的要求，当电池电压降到了3. 4 V 左右时，电源可能会达不到输出3. 3 V 电压了。采用的电荷泵输出5 V，当输入输出电压比较接近时候电荷泵的效率不会很高。采用第二种方案能够最大限度地提高电源转化效率，延长电池使用的时间。

综合考虑以上比较，选择第二种方案。

　　4. 2 芯片选型

　　通过查询，决定采用TI两个芯片TPS63031 跟TPS61240 分别作为3. 3 V 输出和5 V 输出的电压转换芯片，TPS63031 在输入电压在2. 4 ～ 5. 5 V 范围以内，通过升压或者是降压工作模式输出高达800 mA 的电流，　在节能模式下，当输出电流在100 ～ 500 mA 之间变化时候，效率平均在80 % 以上。TPS61240 可以工作在3. 5 MHz 升压DC-DC，输出电流能够达到了450mA，具有PFM/PWM 工作模式，当负载电流在200 mA左右时，能够在电池的电压范围内提供80 %以上效率。由于微处理器对电源纹波要求非常高，所以在3. 3V 输出的后边增加一个LDO，以滤除DC-DC 输出较大纹波，提高输出电压稳压精度。　由于要满足压差跟处理器可靠工作电压的要求，选输出电压比3. 3V 低的TPS78320，可以输出3. 2 V 电压，最大能够输出150 mA 的电流，这个电压满足微处理器LPC2142可靠的工作电源电压范围( 3. 0 V ～ 3. 6 V) 跟电流需求。　此外，该LDO 的静态电流仅为500 nA，这正符合电池供电的手持系统节能的要求。　

5 电源电路设计

　　仔细阅读芯片的手册，设计并且绘制出如图2 所示的电源电路原理图。

　　图2 中的U2、U3 分别是3. 3 V 输出跟5 V 输出的DC-DC 稳压器，U4 是LDO，DC-DC 的3. 3 V输出的经过该LDO 进行有源滤波后为微处理器提供的3. 2 V 左右的电源，U1 是Maxim 公司的锂离子电池充电管理芯片MAX1555，可以通过USB 对锂离子电池充电。

　　电路中的电容C1、C5、C7、C3为芯片的输入滤波电容，作用是改善暂态响应，抑制噪声和纹波。C4、C6、C8、C2为芯片的输出的电容，作用是为了保持电路稳定和滤波。其中C1跟C4要采用额定电压不小于6. 3V 的X7R 陶瓷电容，其他的电容采用额定电压不小于6. 3 V 的X5R 陶瓷电容，当然采用X7R 的电容效果或更好，但价格要贵一些。L1和L2要采用额定电流不小于输出电流2 倍并且直流电阻较小的电感，这样能够降低电路的损耗。

图2 中两个肖特基二极管IN1与IN2 能够起到保护电池作用，IN1 为防止USB电源将电池反向击穿，IN2 的作用避免了电池跟U1形成进行自充环路，这两个二极管缺一不可。充电器管脚/CHG 右边上拉电阻R1是指示充电状态用的，/CHG 管脚接微处理器的GPIO管脚，当处于充电状态时候，引脚输出低电平; 当/CHG 变为高阻态时候，表示电池已充满。

图2 系统电源电路图

　　6 调试

　　6. 1 调试步骤

　　按照原理图上参数在印制电路板上焊接好元器件以后，仔细检查元器件取值、焊接方向、元器件的极性能否焊接正确，用万用表仔细检测元器件的焊接是否存在虚焊，靠得比较近元器件是否存在不应该存在的短路现象。

　　6. 2 调试注意事项

　　电源系统调试首先要确保电源和地不能短路，否则电池就会有被烧掉的危险。分模块进行调试，焊接一个检查并且调试一个，当各个模块都没有问题时候再进行总体调试。

　　比较复杂的系统，应该先焊接、检查、调试系统的电源，调试成功以后再调试其他的模块。加电后首先要用手摸一下各个芯片是否发烫，如果发烫，为了避免芯片长时间发烫被烧毁，则首先要切断电源，待查明原因后再加电调试。

　　加电之后若听到芯片发出的声音，应该切断电源，检查出现问题电路中有没有短路情况，查出问题之后再继续加电调试。

　　为了方便查找出问题，至少需要焊接两块板子，以方便测试时候进行对比，查找问题所在。　7 结论

　　经测试，3. 3 V 电源的输出电压波动在0. 097V 以内，3. 2 V 的输出波动在0. 05 V 以内，5 V 输出的波动在0. 1 V 以内，即各路电压的波动均在±3 % 以内，通过外接相应额定功率电阻时，各元件均工作正常，即系统可以输出给定的电流。通过输入电流电压和输出电流电压的测量，计算得到的效率均在83 % 以上。总之，系统的各项指标均达到了预期的要求。

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