兩種典型的電池供電電路的設(shè)計方案

隨著信息時代的來臨，手持電子產(chǎn)品層出不窮（如PDA、數(shù)碼相機、手機等），這些產(chǎn)品主要采用電池供電，在此類產(chǎn)品中如何設(shè)計電源管理電路，確保產(chǎn)品的實用性、經(jīng)濟性成為產(chǎn)品設(shè)計的關(guān)鍵問題。

　　硬開關(guān)電路設(shè)計實例

　　硬開關(guān)電路是將2節(jié)7號電池的串聯(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，會下降到2V以下，導(dǎo)致機器無法正常工作。JM2按鍵為開/關(guān)機鍵，在按動JM2時，由于按鍵的抖動，會產(chǎn)生誤動作。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間與放電時間都大于鍵抖動時間，從而有效地消除鍵的抖動。V9集電極輸出的按鍵脈沖經(jīng)去抖后，再通過U25 （74HC14）三個帶施密特觸發(fā)器的反相器進一步濾波整形，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：

　?、偃鬠24A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DC/DC的輸出端6腳。因此，在電路中還必須加一個晶體管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，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)，機器處于關(guān)機狀態(tài)，并且關(guān)機時整機電流為最小，經(jīng)測量不超過5uA.

　?、诋?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，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，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，機器處于開機狀態(tài)。

　　在開機狀態(tài)下，單片機的輸出SWPW保持為低電平。當(dāng)單片機將SWPW輸出改為高電平時，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，機器將被關(guān)機，所以SWPW可作為“自動關(guān)機”信號。由于在單片機上電復(fù)位時1/O口輸出為高電平，復(fù)位時的SWPW高電平會引起“復(fù)位誤關(guān)機”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”現(xiàn)象。

　　MAX756的5腳LBI是電池低電壓的檢測引腳，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）便會輸出低電平，可作為電池低壓報警信號。報警電壓點的設(shè)定依據(jù)有兩個?！　、賴鴺?biāo)要求電池終止電壓為0.9 V.經(jīng)過實際測量，當(dāng)2節(jié)7號電池的串聯(lián)電壓降到2V以下時，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報警點設(shè)定在2 V.

　　之所以稱該電路為硬開關(guān)電路，主要原因在于按下JM2便可實現(xiàn)開關(guān)機，無須再由單片機來輔助。SWPW的作用是實現(xiàn)定時自動關(guān)機。接下來講的電池供電電路在按鍵控制開關(guān)機時必須有單片機來輔助才行。

　　軟開關(guān)電路設(shè)計實例

　　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，保證在電池的整個壽命周期內(nèi)機器都能穩(wěn)定工作。

　　圖2軟開關(guān)電路

　　該電路的開/關(guān)機的過程分為這樣兩種情況：

　?、僭陉P(guān)機狀態(tài)下，JM16鍵作為開機鍵使用。按下JM16，電池電壓經(jīng)V1到達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。支付密碼器進入開機狀態(tài)后，再由單片機的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狀態(tài)，P3.6輸出低電平起到開機自保的作用。

　?、谠陂_機狀態(tài)下，JM16鍵作為關(guān)機鍵使用。未按下JM16鍵時，SWH信號點為低電平。按下JM16鍵，SWH信號點為高電平，這一信號變化通過鍵盤接口被單片機讀??；在開機時檢測到JM16的閉合，可確定為關(guān)機命令；等到JM16鍵松開后，單片機的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)，支付密碼器因為沒有電源供給而關(guān)機。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)機時將DC/DC轉(zhuǎn)換器的供電回路完全切斷，進一步減小了關(guān)機時的漏電流。整機關(guān)機后，經(jīng)檢測，關(guān)機電流小于5uA.圖2中的電池低電壓檢測報警由日本理光公司的RN5VT20CA（U9）實現(xiàn)，檢測電壓為固定值2V.　　與圖1相比較，用JM16鍵開機后，還必須利用單片機P3.6輸出低電平實現(xiàn)開機自保，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)點是無須考慮按鍵去抖動問題，硬件電路簡單，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）。缺點是當(dāng)受到外界強信號干擾或由于電池電量不足而引起死機時，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現(xiàn)象。當(dāng)然這種情況出現(xiàn)的機率極低，且因電池電量不足而引起死機時，就需要更換電池了。而圖1的硬開關(guān)電路中，當(dāng)碰到死機現(xiàn)象時，無需觸摸電池，通過按鍵JM2就能實現(xiàn)開機和關(guān)機。

　　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。

　　圖3

　　開關(guān)K導(dǎo)通時電池BT給電感L充電，在L中以場的形式儲存能量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)通時間占工作周期的比率）?？刂齐娐繁O(jiān)測輸出電壓并控制占空比，從而達到調(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，必須考慮對電源輸出進行濾波。一般采用無源濾波電路來進行濾波，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，需采用電感量高、體積大的電感，對手持、便攜式產(chǎn)品并不適用，所以在負(fù)載電流較小的場合，采用RCπ型濾波，結(jié)構(gòu)簡單、經(jīng)濟，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，輸出電壓兩端的脈動系數(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，則脈動系數(shù)愈小，也就是濾波效果就越好。R值增大時，電阻上的直流壓降會增大，這樣就增大了直流電源的內(nèi)部損耗；若增大C的電容量，又會增大電容器的體積和重量，也不易實現(xiàn)，因此電容的容量一般為10-100 uF，電阻的值一般在10Ω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號電池供電的PDA、手持終端等產(chǎn)品中，其他類產(chǎn)品（如手機、數(shù)碼相機）的電池供電電路會有所不同，但工作原理基本相似。本文所講的兩個實例較好地解決了在電池供電電路的設(shè)計中，面臨的如何實現(xiàn)開關(guān)機、降低關(guān)機電流、減小輸出電源中的紋波和干擾信號、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。