便攜式儀表電源的設計

摘要：微電子技術的發(fā)展和工業(yè)測量的需求，使便攜式儀表有著很好的發(fā)展前景。便攜式儀表體積小，單電源供電，多種電壓輸出的特點，使其電源模塊的設計有其特殊性。通過對便攜式儀表典型硬件結(jié)構(gòu)的分析，總結(jié)了各功能模塊的電源需求，提出了便攜式儀表電源處理的一般方法，并給出了兩種電源模塊的設計實例。

關鍵詞：便攜式儀表；電池；電源處理

Design of Power Supply for Portable Instruments

LI Jiang, DONG Jing-xin, CHEN Hao-sheng

Abstract:With the development of the microelectronics technology and the demand of the industrial measurements, portable instruments have a bright future. Portable instruments are small in size, but flexible in use. The design of their power supply is quite different from other equipment, on account of their special requirements of single voltage input and multi voltage output. By analyzing the typical hardware structure and the different requirements of different modules, a general method is given to solve such problems. And two examples are given to meet the same demand of a particular application.

Keywords:Portable instruments; Battery; Power supply.

在微電子技術基礎上發(fā)展起來的單片機及其外圍器件，使儀表技術進入了一個嶄新的智能化時代。此外，半導體工藝的發(fā)展使器件普遍地采用CMOS技術，CMOS器件不僅器件的體積越來越小，也為實現(xiàn)低電壓、低功耗和功耗管理提供了良好的條件，使便攜式儀表的普及成為可能。因此，低功耗的便攜式儀表有著很好的發(fā)展前景。從使用者的角度來說，希望便攜式儀表在大多數(shù)情況下都能攜帶方便，操作簡單，無需復雜維護又能長時間可靠地工作。為滿足以上要求，一方面要選擇合適的低功耗器件，另一方面也對電源模塊的設計提出了更高的要求。

便攜式儀表中大量CMOS器件的低功耗的特性，使得普通的電池就能為系統(tǒng)提供充足的電能，因此，利用單一的電池電源，來滿足系統(tǒng)中各部分不同的電源需求，并確保電源正常供電，是便攜式儀表電源處理模塊的基本任務。

1 便攜式儀表的硬件結(jié)構(gòu)

便攜式儀表通常是一個由單片機及其外圍器件構(gòu)成的，具有多種輸入輸出形式的單片機系統(tǒng)，其硬件的一般結(jié)構(gòu)如圖1所示。將其按照功能模塊劃分并分析各模塊電源需求如下：

圖1 便 攜 式 儀 表 硬 件 的 一 般 結(jié) 構(gòu)

——傳感器模塊包括傳感器及其驅(qū)動電路和傳感器輸出信號處理電路。傳感器及其驅(qū)動電路通常以模擬電路為主，輸出信號處理一般使用V/F轉(zhuǎn)換器件或模數(shù)轉(zhuǎn)換器件，因此傳感器模塊通常的電壓需求為＋5V或±5V。

——人機對話的輸入輸出模塊包括LCD顯示和鍵盤輸入驅(qū)動電路。LCD顯示輸出除了需要提供＋5V工作電壓外，一般還需要提供對比度調(diào)節(jié)電壓，LCD顯示器有正、負極性之分，不同的顯示器需要的對比度調(diào)節(jié)電壓也不同，一般在±28V之內(nèi)。

——單片機及其接口模塊作為整個系統(tǒng)的核心，單片機要連接和管理其他的模塊，與不同的模塊連接，就會用到不同的接口。例如，不少便攜式儀表提供微型打印機接口，將信息打印出來；很多便攜式儀表上都有非易失存儲單元，即使斷電仍能長時間保留歷史信息；另一些便攜式儀表提供RS－232串行通信接口，可以將保留的數(shù)據(jù)輸出到PC機中，做更高級的分析和處理，或是實時將測量數(shù)據(jù)傳遞給上位機，由上位機處理并完成相應的實時控制功能。這一模塊使用到的都是各種IC芯片，一般來說都要求＋3.3V或＋5V。

從以上的分析可以看出，系統(tǒng)中各個模塊對電源的要求是不同的，電源模塊就是要將單一的電池電源轉(zhuǎn)換成能使系統(tǒng)中的各模塊正常工作的多種電源輸出。便攜式儀表體積雖小，卻是一個很完整的系統(tǒng)，在設計便攜式儀表的硬件時，首先應盡量使各模塊的電源需求一致。比如傳感器模塊有＋5V的電壓需求，那么在單片機及其接口器件的選擇時，就應盡量選擇＋5V供電的IC芯片。

盡管如此，設計時仍不可避免地會遇到兩種甚至兩種以上的電源需求，這就是電源模塊要解決的關鍵問題，其中主要是解決LCD顯示器的對比度調(diào)節(jié)電壓的輸出。設計電源模塊時要根據(jù)不同的電源輸入輸出要求選擇相應的集成電源穩(wěn)壓變換器件，在滿足電源要求的前提下，使外圍電路盡可能的簡單，體積盡可能小。

2 電源穩(wěn)壓變換器件

市場上可供選擇的電池規(guī)格多種多樣，除了較常規(guī)的1.2V（或1.2V整數(shù)倍）的鎳鎘充電電池（電池組）、1.5V和9V的干電池和3.6V的鋰電池以外，還有各種特殊的3、4.5、5、6V和12V的電池可供選擇，但從使用者更換或購買備用電池方便性的角度考慮，應盡可能使用互換性更好的普通電池。

完成電源穩(wěn)壓變換可供選擇的集成電源器件主要有如下幾類：低壓差線性穩(wěn)壓器件、通用開關型穩(wěn)壓器件、多功能或?qū)Ｓ玫碾娫雌骷?、電壓基準器件，還有用于確保電源正常供電的各類電源監(jiān)控管理器件[1]。

便攜式儀表本身的功耗較小，一般要求的電源輸出功率不大，從體積上考慮，與電路中的其他器件一樣選用IC芯片，而不宜選用傳統(tǒng)的線性穩(wěn)壓器件；對于電池供電的系統(tǒng)，由于經(jīng)過一段時間的放電后，電池電壓總會有一定程度的下降，這時電源模塊應仍能保持穩(wěn)定的輸出電壓，這就要求電源模塊對輸入電壓的要求不能太苛刻，即允許輸入電壓在一定范圍內(nèi)變化；一般都要求雙電壓輸出。

在各種集成電源器件中，通用開關型集成穩(wěn)壓器件有較高的電源效率，適應較寬的輸入電壓范圍，容易通過變換，產(chǎn)生多種類型的輸出電壓，非常適合于使用電池供電的系統(tǒng)，因此在便攜式儀表產(chǎn)品中有著廣泛的應用。