高效率RFID手持機電源設計

孟海斌，張紅雨

(電子科技大學電子工程學院，四川成都611731)

0 引言

RFID手持機在交通運輸、門禁、物流、考勤、貨物管理、身份識別等方面有著十分廣泛的應用。RFID手持設備對電源的效率、使用壽命、可靠性、體積、成本等方面有較高的要求。因此，設計一個穩定性好、效率高、雜散小的電源對于RFID手持機有著十分重要的意義。

1 RFID手持機硬件結構

在基于嵌入式系統的RFID手持機系統設計中，以微處理器LPC2142為主控制器，根據系統的需求外擴了SRAM、Flash、SD卡、鍵盤、LCD顯示、聲響提示進行數據處理、數據存儲、人機交互以及出錯報警提示，通過USB接口可以與主機進行數據通信，背光模塊可以為LCD和鍵盤提供背光，電壓檢測模塊通過核心處理器的A/D轉換器進行電池電壓的檢測，從而間接檢測出電池的剩余電量，RF模塊能夠進行讀寫器與標簽之間射頻信號的收發，通過JTAG接口可以進行程序的調試與下載。電源部分可以為系統中需要電源的各個模塊提供電源，這是本文設計的重點內容。系統硬件結構框圖如圖1所示。

圖1 系統硬件框圖

2 需求電源的指標

經設計并計算，該系統需要兩種電壓的電源，一路是3.3 V的，為鍵盤、LCD復位電路、所外擴的存儲器、RF模塊供電;另一路是5 V的，為系統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，系統采用電池供電，欲達到性能指標如下:

(1)電源轉化效率≥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均控制在±5%以內;

(4)可以通過USB輸入對電池進行充電。

3 各種電源芯片的特點及選型注意事項

3.1 各種電源芯片特點比較

表1是4種電源芯片的比較［1］。

表1 4種電源芯片的比較

3.2 選型注意事項

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。強調這一點的原因是，一些芯片(LDO或者降壓型DC-DC)的手冊給出的輸入電壓范圍和輸出電壓范圍都很寬，很容易誤導沒有經驗的設計者。手冊中的輸出電壓范圍，很多都是針對給出的輸入電壓范圍的，對于特定的輸入電壓，在很多情況下，實際的輸出是達不到給出的輸出電壓的。這一點十分關鍵，決定系統設計的成敗，應引起高度重視。

其次，手持設備的電源設計中，要注意芯片的靜態電流，這一點對系統的待機時間影響很大，好的電源芯片的靜態電流在μA級，較差的芯片在mA級，相差上千倍，靜態電流越小，電池的電能耗散就越少，壽命就越長。

再次，注意要從實際的負載來考察效率。電源效率與輸出電流是密切相關的，當輸出電流很小或很大時，效率都會變得較差，需要根據需要的電流來選擇電源芯片，以達到效率最大化。

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，5 V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2.5 V～4.2 V(4.2 V是滿充可以達到的電壓)之間都應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，當電池電壓降到3.4 V左右時，電源可能達不到輸出3.3 V電壓了。采用電荷泵輸出5 V，當輸入輸出電壓比較接近時電荷泵的效率不會很高。采用第二種方案可以最大限度地提高電源轉化效率，延長電池的使用時間。

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的兩個芯片TPS63031和TPS61240分別作為3.3 V輸出和5 V輸出的電壓轉換芯片，TPS63031在輸入電壓在2.4～5.5 V范圍內，通過升壓或者降壓工作模式輸出高達800 mA的電流，在節能模式下，當輸出電流在100～500 mA之間變化時，效率均在80%以上［2］。TPS61240是可以工作在3.5 MHz的升壓DC-DC，輸出電流可以達到450 mA，具有PFM/PWM工作模式，當負載電流在200 mA左右時，可以在電池的電壓范圍內提供80%以上的效率［3］。

由于微處理器對電源紋波要求較高，所以在3.3 V輸出的后邊增加了一個LDO，以濾除DC-DC輸出較大的紋波，提高輸出電壓的穩壓精度。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3.3 V低的TPS78320，可以輸出3.2 V電壓，最大可以輸出150 mA的電流［4］，這個電壓滿足微處理器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的靜態電流僅為500 nA，這正符合電池供電的手持系統節能的要求。

5 電源電路設計

仔細閱讀芯片手冊，設計并繪制出如圖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穩壓器，U4是 LDO，DC-DC的 3.3 V輸出經過該LDO進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，作用是改善暫態響應，抑制噪聲和紋波。C4、C6、C8、C2為芯片的輸出電容，作用是保持電路穩定和濾波。其中C1和C4要采用額定電壓不小于6.3 V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，當然采用X7R的電容效果或更好，但是價格要貴一些。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中兩個肖特基二極管IN1和IN2可以起到保護電池的作用，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形成進行自充環路，這兩個二極管缺一不可。充電器的管腳/CHG右邊上拉電阻R1是指示充電狀態用的，/CHG管腳接微處理器的GPIO管腳，當處于充電狀態時，該引腳輸出低電平;當/CHG變為高阻態時，表示電池已經充滿［5］。

圖2 系統電源電路圖

6 調試

6.1 調試步驟

按照原理圖上的參數在印制電路板上焊接好元器件之后，仔細檢查元器件的取值、焊接方向、元器件的極性是否焊接正確，用萬用表仔細檢測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該存在的短路現象。

6.2 調試注意事項

電源系統的調試首先要確保電源和地不能短路，否則電池會有被燒掉的危險。

分模塊進行調試，焊接一個檢查并調試一個，當各個模塊都沒有問題時再進行總體調試。

比較復雜的系統，應該先焊接、檢查、調試系統的電源，調試成功后再調試其他模塊。

加電后首先要用手摸一下各個芯片是否發燙，如果發燙，為避免芯片長時間發燙被燒毀，則首先要切斷電源，待查明原因后再加電調試。

加電后若聽到芯片發出聲音，應該切斷電源，檢查出現問題電路中有沒有短路的情況，查出問題后再繼續加電調試。

為方便查找出問題，至少要焊接兩塊板子，以方便測試時進行對比，查找問題的所在。

7 結論

經測試，3.3 V電源的輸出電壓波動在0.097 V以內，3.2 V的輸出波動在0.05 V以內，5 V輸出的波動在0.1 V以內，即各路電壓的波動均在±3%以內，通過外接相應額定功率電阻時，各元件均工作正常，即系統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量，計算得到的效率均在83%以上。總之，系統的各項指標均達到了預期的要求。

［1］顏重光.便攜產品電源芯片的應用技術思考［C/OL］.2006便攜式消費電子產品專題研討會，上海新國際博 覽 中 心，2006-03-22.［2010-05-03］.http://diagram.eepw.com.cn/diagram/circuit/cid/234/cirid/20540.

［2］Texas Instruments.TPS63031 Datasheet［EB/OL］.2009［2010-05-25］.http://focus.ti.com.cn/cn/lit/ds/symlink/tps63031.pdf.

［3］Texas Instruments.TPS61240 Datasheet［EB/OL］.2009［2010-05-25］.http://www.ti.com/cn/lit/gpn/tps61240.

［4］Texas Instruments.TPS783xx Datasheet［EB/OL］.2010［2010-05-25］.http://focus.ti.com.cn/cn/lit/ds/sbvs133/sbvs133.pdf.

［5］Maxim.MAX1555 Datasheet［EB/OL］.2003［2010-05-25］.http://datasheets.maxim － ic.com/cn/ds/MAX1551 －MAX1555_cn.pdf.