|
1 引言 目前，由電池供電的各種電子產(chǎn)品及便攜式儀器儀表更多傾向于低電壓、低功耗、微型化設計，其電源管理系統都需DC／DC轉換器。此轉換器的核心是輸出精度、轉換效率、啟動(dòng)電壓等。這里介紹一款結構簡(jiǎn)單、體積小、效率高、功耗低的升壓型PFM控制DC／DC轉換器-SP6641，并詳細給出該器件在心理測評手持數據采集系統電源管理中的應用。 2 SP6641器件簡(jiǎn)介 SP6641是一款手持式低功耗-低壓-升壓型DC／DC轉換器，能在輸入電壓動(dòng)態(tài)范圍較大時(shí)為單片機系統提供穩定的直流電源，其靜態(tài)電流極低，電池轉換效率高，性?xún)r(jià)比高，多用于電池供電設備SP6641的靜態(tài)電流為10μA，有1個(gè)0．3Ω的N通道充電開(kāi)關(guān)，最低啟動(dòng)電壓0．9V，并具有0．33 A或1．0A感應電流限制模塊。SP6641器件采用5引腳SOT-23貼片封裝形式，其引腳配置如圖1所示。 
2．1 性能特點(diǎn) 該器件的性能特點(diǎn)如下：極低靜態(tài)電流為10μA；寬輸入電壓范圍為0．9~4．5 V；1．3 V輸入時(shí)，IOUT可達90 mA(SP6641A-3．3 V)；2．6 V輸入時(shí)，IOUT可達500 mA(SP6641B-3．3 V)；2．0 V輸入時(shí)，IOUT可達100 mA(SP6641A-5．0 V)；3．3 V輸入時(shí)，IOUT可達500 mA(SP6641B-5．0 V)；固定輸出電壓為3．3 V或5．0 V；電源轉換效率高達87％；0．3Ω NFET RDSon；O．33 A感應電流保護模塊(SP6641A)；1 A感應電流保護模塊(SP6641B)；邏輯關(guān)斷控制；SOT-23-5封裝。 2．2 使用方式 SP6641不同版本具有不同的功率和固定的輸出電壓(3．3 V、5．O v)．在應用時(shí)可根據實(shí)際使用情況加以選擇。SP6641提供兩種不同功率的版本型號，如SP6641A和SP6641B，這兩者的引腳是一樣的，但所提供的最大輸出電流不一樣，外圍元件也不同。輸入電壓下降時(shí)，輸出電流也下降，VBATT為1.3 V時(shí)輸出電流分別為90 mA(SP6641A)，200 mA(SP6641B)。當需要不同的輸出電源電壓時(shí)．只需選擇不同后綴的版本型號。圖2為SP6641B電源電路原理圖。
3 SP6641B在手持設備中的應用 3．1 手持設備設計方案 在設計時(shí)，首先根據需要輸出的固定電壓、最大工作電流確定相應的電源器件。再根據電源器件確定電源電路和外圍元件。手持設備采用低功耗型單片機 (MCU)MSP430F123A作為主控制器，掃描由0～9數字組成的鍵盤(pán)響應，然后通過(guò)LSD-RF1100-A433無(wú)線(xiàn)模塊實(shí)現數據的無(wú)線(xiàn)傳輸，該手持設備的原理結構框圖如圖3所示。
LSD-RF1100-A433無(wú)線(xiàn)模塊是基于TI公司的CC1100的射頻模塊，該模塊工作電壓為3～3．6 V，工作電流小于30 mA。單片機MSP430F123的工作電壓為1．8～3．6 V，工作電流小于2 mA�？紤]到實(shí)際使用的方便性，采用普通2節5號堿性電池作為供電電源，為保證系統正常工作，需要設計提供穩定的3．3 V電源電路，供電電流不小于50 mA，并且在電池電壓為1．5 V時(shí)仍能保證3．3 V穩定輸出。為延長(cháng)手持設備的工作時(shí)間，這里采用具有升壓功能的SP6641B設計電源電路，為手持設備提供較長(cháng)時(shí)間穩定的3．3 V電源。 3．2 電源器件選型 由于手持設備只需一個(gè)3．3 V的固定電壓，最大工作電流約50 mA，選用SP6641B作為電源器件。其在VBATT=1．3 V時(shí)，輸出電流200 mA。如果要求電源具備較低電壓紋波，可增加一級濾波電路。 3．3 外圍電路元件選型 SP6641B的數據手冊提供所需外圍電路元件參數：C1=C2=100μF (POSCAP)，L1=10μH (CDRH5D2B)，VD1為ZHCS2000，C3=1μF陶瓷電容。電源器件輸出電壓的穩定性既取決于電源器件的質(zhì)量，同時(shí)也和外圍電路元件的合理取值和質(zhì)量有直接關(guān)系。外部元件數值的選擇主要由輸出電壓、最大負載電流和最大最小輸入電壓決定。首先確定電感值，然后依次選擇二極管、電容等值。 (1)電感的選擇 電感是決定電源系統穩定度的主要因素。電感主要參數包括：電感量峰值電流和內阻。電感線(xiàn)圈的電阻應小于0．5Ω，為減小噪音輻射，應選用屏蔽電感。電感 L1是整個(gè)電路的儲能元件，必須選擇適當的功率元件，因此，電感選用德國Wiirth Elektronik公司生產(chǎn)的，型號為WE-PD系列帶屏蔽功率電感，其IDC=1．83 A，RDC=0．072Ω。這時(shí)電源電路的轉換電壓穩定、轉換效率高，在輸入電壓低于1．2 V時(shí)，仍提供穩定的3．3 V輸出。 (2)二極管的選擇 工作中，二極管VD1的正向導通壓降對開(kāi)關(guān)電源的效率影響很大，為提高轉換器效率．在保證二極管正常工作的同時(shí)要選用正向導通壓降小，反向恢復時(shí)間短的肖特基二極管，還應考慮其輸出電壓和峰值開(kāi)關(guān)電流。因此，這里選取1N4148。 (3)電容的選擇 設計時(shí)應當依據等效串聯(lián)電阻(ESR)最小的原則選取輸出濾波電容．同時(shí)應使電容盡量靠近SP6641B。因此，這里選取元件參數：C1、C2分別為 100μF、330μF鉭電容，C3為1μF的陶瓷電容。在調試中，如果省略電容C3，電源電壓會(huì )非常不穩定，因此，在設計時(shí)，應將其與SP6641B的盡可能靠近放置。 3．4 測試結果 經(jīng)測試，手持設備在動(dòng)態(tài)時(shí)(無(wú)線(xiàn)模塊處于發(fā)射和接收狀態(tài))的電流僅31．5 mA；靜態(tài)時(shí)的電流僅20μA。 (1)2節堿性電池輸入 采用已用的堿性電池，測試不同輸入電壓情況下的電源穩壓值，由于堿性電池電壓的離散性，因此只需測量幾個(gè)離散電壓值即可。當Vin分別為3．1 V、2．96 V、2．83 V、2．66 V、2．4 V、2．14 V時(shí)，Vout為3．3 V，系統工作正常；但當Vin為2．14 V，靜態(tài)時(shí)Vout為3．3 V，而動(dòng)態(tài)時(shí)，Vin下降為1．7 V。 (2)1節堿性電池輸入 當Vin>1．34 V時(shí)，Vout=3．3 V，系統工作正常；當Vin=1．2 V或1．07 V時(shí)，Vout為3．3 V，系統不能正常工作，測試發(fā)現Vin在系統工作時(shí)下降到0．8 V、0．6 V。 由上述測試結果表明：SP6641最低啟動(dòng)電壓可達0．9 V，但若使用堿性電池供電，電池自身將消耗更多能量，使用單節電池供電將影響電源的使用時(shí)間，而2節堿性電池供電影響會(huì )小一些。 4 結束語(yǔ) 基于SP6641B手持設備電源設計應用效果良好。由于SP6641器件體積小，輸出電壓穩定，轉換效率高，可方便地在節能模式下工作，且具有高性?xún)r(jià)比，因此在便攜式電池供電設備領(lǐng)域具有廣闊的應用前景。 參考文獻 1. Exar Inc.SP6641 Data sheet[EB/OL].2007.http://www.exar.com/Files/Documents/SP6641A-41B_EBM_071702.pdf. 2. Teaxs Instrument,Inc.MSP430F123 Data sheet[EB/OL].2009.http://focus.ti.com/lit/ds/symlink/msp430f123.pdf. 3. 利爾達科技有限公司.LSDRF433A11_V1.0使用說(shuō)明[EB/OL].2009.http://www.lierda.com/upload /ftp//RF/LSDRF433A11_V1.0.pdf. 4. 姚鎖平.高可靠DC-DC變換器的設計[J].電子設計工程,2008,16(3):34-37. 5. 李益民,柴貴蘭.郭世明.關(guān)于本質(zhì)安全Boost變換器的探討[J].電子設計工程,2009,17(6):28-30. 6. 趙湘陽(yáng),席兵.基于TPS6211X的FPGA高效電源設計[J].電子設計工程,2009,17(5):96-98. 7. Würth Elektronik GmbH & CoKG.One-click selection guide[EB/OL].2007http://www.we-onlinede/katalog/media/pdf/744778910.pdf. 作者：文治洪 胡文東 王濤 （第四軍醫大學(xué)航空航天醫學(xué)系,陜西,西安,710032）來(lái)源： 電子設計工程 2009（12） |
