高效率RFID手持机电源设计

　3. 2 选型注意事项

　　首先，必须要正确选择电源芯片类型。要明确输入电压和所需要的输出电压，进而确定是升压、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。手册中的输出电压范围，很多都是针对给出的输入电压范围的，对于特定的输入电压，在很多情况下，实际的输出是达不到给出的输出电压的。这一点十分关键，决定系统设计的成败，应引起高度重视。

　　其次，手持设备的电源设计中，要注意芯片的静态电流，这一点对系统的待机时间影响很大，好的电源芯片的静态电流在μA 级，较差的芯片在mA 级，相差上千倍，静态电流越小，电池的电能耗散就越少，寿命就越长。

　　再次，注意要从实际的负载来考察效率。电源效率与输出电流是密切相关的，当输出电流很小或很大时，效率都会变得较差，需要根据需要的电流来选择电源芯片，以达到效率最大化。

　　4 方案选择及芯片选型

　　4. 1 方案选择

　　方案1: 3. 3 V 输出采用LDO，5V 输出采用电荷泵。

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

　　由于锂离子电池的电压范围变化较宽，在2. 5V ～ 4. 2 V（ 4. 2 V 是满充可以达到的电压） 之间都应该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的最小压差的要求，当电池电压降到3. 4 V 左右时，电源可能达不到输出3. 3 V 电压了。采用电荷泵输出5 V，当输入输出电压比较接近时电荷泵的效率不会很高。采用第二种方案可以最大限度地提高电源转化效率，延长电池的使用时间。

　　综合考虑以上的比较，选择第二种方案。

　　4. 2 芯片选型

　　通过查询，决定采用TI 的两个芯片TPS63031 和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 范围内，通过升压或者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，效率均在80 % 以上。TPS61240 是可以工作在3. 5 MHz 的升压DC-DC，输出电流可以达到450mA，具有PFM/PWM 工作模式，当负载电流在200 mA左右时，可以在电池的电压范围内提供80 %以上的效率。

　　由于微处理器对电源纹波要求较高，所以在3. 3V 输出的后边增加了一个LDO，以滤除DC-DC 输出较大的纹波，提高输出电压的稳压精度。由于要满足压差和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，最大可以输出150 mA 的电流，这个电压满足微处理器LPC2142可靠工作电源电压范围（ 3. 0 V ～ 3. 6 V） 和电流需求。

　　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

　　仔细阅读芯片手册，设计并绘制出如图2 所示的电源电路原理图。

　　图2 中的U2、U3 分别是3. 3 V 输出和5 V 输出的DC-DC 稳压器，U4 是LDO，DC-DC 的3. 3 V输出经过该LDO 进行有源滤波后为微处理器提供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为芯片的输出电容，作用是保持电路稳定和滤波。其中C1和C4要采用额定电压不小于6. 3V 的X7R 陶瓷电容，其他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，但是价格要贵一些。L1和L2要采用额定电流不小于输出电流2 倍且直流电阻较小的电感，这样可以降低电路的损耗。[!--empirenews.page--]

　　图2 中两个肖特基二极管IN1 和IN2 可以起到保护电池的作用，IN1 是为了防止USB 电源将电池反向击穿，IN2 的作用是避免电池与U1 形成进行自充环路，这两个二极管缺一不可。充电器的管脚/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，该引脚输出低电平； 当/CHG 变为高阻态时，表示电池已经充满。

图2 系统电源电路图

　　6 调试

　　6. 1 调试步骤

　　按照原理图上的参数在印制电路板上焊接好元器件之后，仔细检查元器件的取值、焊接方向、元器件的极性是否焊接正确，用万用表仔细检测元器件的焊接是否存在虚焊，靠得比较近的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

　　电源系统的调试首先要确保电源和地不能短路，否则电池会有被烧掉的危险。

　　分模块进行调试，焊接一个检查并调试一个，当各个模块都没有问题时再进行总体调试。

　　比较复杂的系统，应该先焊接、检查、调试系统的电源，调试成功后再调试其他模块。

　　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。

　　加电后若听到芯片发出声音，应该切断电源，检查出现问题电路中有没有短路的情况，查出问题后再继续加电调试。

　　为方便查找出问题，至少要焊接两块板子，以方便测试时进行对比，查找问题的所在。

　　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。