0 引言

　　RFID 手持機(jī)在交通運(yùn)輸、門禁、物流、考勤、貨物管理、身份識(shí)別等方面有著十分廣泛的應(yīng)用。RFID 手持設(shè)備對(duì)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(shè)計(jì)一個(gè)穩(wěn)定性好、效率高、雜散小的電源對(duì)于RFID 手持機(jī)有著十分重要的意義。

　　1 RFID 手持機(jī)硬件結(jié)構(gòu)

　　在基于嵌入式系統(tǒng)的RFID 手持機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，以微處理器LPC2142 為主控制器，根據(jù)系統(tǒng)的需求外擴(kuò)了SRAM、Flash、SD 卡、鍵盤、LCD 顯示、聲響提示進(jìn)行數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、人機(jī)交互以及出錯(cuò)報(bào)警提示，通過USB 接口可以與主機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，背光模塊可以為L(zhǎng)CD 和鍵盤提供背光，電壓檢測(cè)模塊通過核心處理器的A/D 轉(zhuǎn)換器進(jìn)行電池電壓的檢測(cè)，從而間接檢測(cè)出電池的剩余電量，RF 模塊能夠進(jìn)行讀寫器與標(biāo)簽之間射頻信號(hào)的收發(fā)，通過JTAG 接口可以進(jìn)行程序的調(diào)試與下載。電源部分可以為系統(tǒng)中需要電源的各個(gè)模塊提供電源，這是本文設(shè)計(jì)的重點(diǎn)內(nèi)容。系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)硬件框圖

　　2 需求電源的指標(biāo)

　　經(jīng)設(shè)計(jì)并計(jì)算，該系統(tǒng)需要兩種電壓的電源，一路是3. 3 V 的，為鍵盤、LCD 復(fù)位電路、所外擴(kuò)的存儲(chǔ)器、RF 模塊供電； 另一路是5 V 的，為系統(tǒng)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(tǒng)采用電池供電，欲達(dá)到性能指標(biāo)如下：

　　（ 1） 電源轉(zhuǎn)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(dòng)均控制在± 5 %以內(nèi)；

　　（ 4） 可以通過USB 輸入對(duì)電池進(jìn)行充電。

　　3 各種電源芯片的特點(diǎn)及選型注意事項(xiàng)

　　3. 1 各種電源芯片特點(diǎn)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

　　注： LDO 為L(zhǎng)ow DropOut 的縮寫，即低壓差線性穩(wěn)壓器。

　3. 2 選型注意事項(xiàng)

　　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(jìn)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(wěn)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(qiáng)調(diào)這一點(diǎn)的原因是，一些芯片（ LDO 或者降壓型DC-DC） 的手冊(cè)給出的輸入電壓范圍和輸出電壓范圍都很寬，很容易誤導(dǎo)沒有經(jīng)驗(yàn)的設(shè)計(jì)者。手冊(cè)中的輸出電壓范圍，很多都是針對(duì)給出的輸入電壓范圍的，對(duì)于特定的輸入電壓，在很多情況下，實(shí)際的輸出是達(dá)不到給出的輸出電壓的。這一點(diǎn)十分關(guān)鍵，決定系統(tǒng)設(shè)計(jì)的成敗，應(yīng)引起高度重視。

　　其次，手持設(shè)備的電源設(shè)計(jì)中，要注意芯片的靜態(tài)電流，這一點(diǎn)對(duì)系統(tǒng)的待機(jī)時(shí)間影響很大，好的電源芯片的靜態(tài)電流在μA 級(jí)，較差的芯片在mA 級(jí)，相差上千倍，靜態(tài)電流越小，電池的電能耗散就越少，壽命就越長(zhǎng)。

　　再次，注意要從實(shí)際的負(fù)載來考察效率。電源效率與輸出電流是密切相關(guān)的，當(dāng)輸出電流很小或很大時(shí)，效率都會(huì)變得較差，需要根據(jù)需要的電流來選擇電源芯片，以達(dá)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(dá)到的電壓） 之間都應(yīng)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(dāng)電池電壓降到3. 4 V 左右時(shí)，電源可能達(dá)不到輸出3. 3 V 電壓了。采用電荷泵輸出5 V，當(dāng)輸入輸出電壓比較接近時(shí)電荷泵的效率不會(huì)很高。采用第二種方案可以最大限度地提高電源轉(zhuǎn)化效率，延長(zhǎng)電池的使用時(shí)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(gè)芯片TPS63031 和TPS61240 分別作為3. 3 V 輸出和5 V 輸出的電壓轉(zhuǎn)換芯片，TPS63031 在輸入電壓在2. 4 ～ 5. 5 V 范圍內(nèi)，通過升壓或者降壓工作模式輸出高達(dá)800 mA 的電流，在節(jié)能模式下，當(dāng)輸出電流在100 ～ 500 mA 之間變化時(shí)，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(dá)到450mA，具有PFM/PWM 工作模式，當(dāng)負(fù)載電流在200 mA左右時(shí)，可以在電池的電壓范圍內(nèi)提供80 %以上的效率。

　　由于微處理器對(duì)電源紋波要求較高，所以在3. 3V 輸出的后邊增加了一個(gè)LDO，以濾除DC-DC 輸出較大的紋波，提高輸出電壓的穩(wěn)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(gè)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(tài)電流僅為500 nA，這正符合電池供電的手持系統(tǒng)節(jié)能的要求。

　　5 電源電路設(shè)計(jì)

　　仔細(xì)閱讀芯片手冊(cè)，設(shè)計(jì)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(wěn)壓器，U4 是LDO，DC-DC 的3. 3 V輸出經(jīng)過該LDO 進(jìn)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(duì)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(tài)響應(yīng)，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(wěn)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(dāng)然采用X7R 的電容效果或更好，但是價(jià)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(gè)肖特基二極管IN1 和IN2 可以起到保護(hù)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(jìn)行自充環(huán)路，這兩個(gè)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(tài)用的，/CHG 管腳接微處理器的GPIO 管腳，當(dāng)處于充電狀態(tài)時(shí)，該引腳輸出低電平； 當(dāng)/CHG 變?yōu)楦咦钁B(tài)時(shí)，表示電池已經(jīng)充滿。

圖2 系統(tǒng)電源電路圖

　　6 調(diào)試

　　6. 1 調(diào)試步驟

　　按照原理圖上的參數(shù)在印制電路板上焊接好元器件之后，仔細(xì)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(xì)檢測(cè)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(yīng)該存在的短路現(xiàn)象。

　　6. 2 調(diào)試注意事項(xiàng)

　　電源系統(tǒng)的調(diào)試首先要確保電源和地不能短路，否則電池會(huì)有被燒掉的危險(xiǎn)。

　　分模塊進(jìn)行調(diào)試，焊接一個(gè)檢查并調(diào)試一個(gè)，當(dāng)各個(gè)模塊都沒有問題時(shí)再進(jìn)行總體調(diào)試。

　　比較復(fù)雜的系統(tǒng)，應(yīng)該先焊接、檢查、調(diào)試系統(tǒng)的電源，調(diào)試成功后再調(diào)試其他模塊。

　　加電后首先要用手摸一下各個(gè)芯片是否發(fā)燙，如果發(fā)燙，為避免芯片長(zhǎng)時(shí)間發(fā)燙被燒毀，則首先要切斷電源，待查明原因后再加電調(diào)試。

　　加電后若聽到芯片發(fā)出聲音，應(yīng)該切斷電源，檢查出現(xiàn)問題電路中有沒有短路的情況，查出問題后再繼續(xù)加電調(diào)試。

　　為方便查找出問題，至少要焊接兩塊板子，以方便測(cè)試時(shí)進(jìn)行對(duì)比，查找問題的所在。

　　7 結(jié)論

　　經(jīng)測(cè)試，3. 3 V 電源的輸出電壓波動(dòng)在0. 097V 以內(nèi)，3. 2 V 的輸出波動(dòng)在0. 05 V 以內(nèi)，5 V 輸出的波動(dòng)在0. 1 V 以內(nèi)，即各路電壓的波動(dòng)均在±3 % 以內(nèi)，通過外接相應(yīng)額定功率電阻時(shí)，各元件均工作正常，即系統(tǒng)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(cè)量，計(jì)算得到的效率均在83 % 以上。總之，系統(tǒng)的各項(xiàng)指標(biāo)均達(dá)到了預(yù)期的要求。