一种高效率RFID手持机电源设计方案 - 全文

　　摘要： 针对锂电池供电的Radio Frequency IDentification( RFID) 手持机对电源高效率的要求和微处理器对电源低纹波的要求，提出了一种电源设计方案。简要介绍了各种电源芯片的特点和手持设备电源芯片选型需要注意的问题，重点阐述了电源方案选择、芯片选型和电路的设计。采用DC - DC 稳压器可以达到较高的效率，在DC-DC 稳压器的后边加LowDropOut regulator( LDO) 可以有效地抑制纹波。测试结果表明，该电源的效率在83 %以上，为处理器供电的电源波动在±2 %以内，其他电源的波动在± 3 %以内。

　　引言

　　RFID 手持设备对电源的效率、使用寿命、可靠性、体积、成本等方面有较高的要求。因此，设计一个稳定性好、效率高、杂散小的电源对于RFID 手持机有着十分重要的意义。

　　1 RFID 手持机硬件结构

　　在基于嵌入式系统的RFID 手持机系统设计中，以微处理器LPC2142 为主控制器，根据系统的需求外扩了SRAM、Flash、SD 卡、键盘、LCD 显示、声响提示进行数据处理、数据存储、人机交互以及出错报警提示，通过USB 接口可以与主机进行数据通信，背光模块可以为LCD 和键盘提供背光，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的检测，从而间接检测出电池的剩余电量，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与下载。电源部分可以为系统中需要电源的各个模块提供电源，这是本文设计的重点内容。系统硬件结构框图如图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，该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，为系统的声响提示电路以及键盘和LCD 的背光电路提供电源。为方便携带，系统采用电池供电，欲达到性能指标如下：

　　( 1) 电源转化效率≥80 %;

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

　　( 3) 两路电源电压的波动均控制在± 5 %以内;

　　( 4) 可以通过USB 输入对电池进行充电。

　　3 各种电源芯片的特点及选型注意事项

　　3. 1 各种电源芯片特点比较

　　表1 是4 种电源芯片的比较。

　　表1 4 种电源芯片的比较

　　注： LDO 为Low DropOut 的缩写，即低压差线性稳压器。

　　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。

　　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。