嵌入式系統中電源管理電路的設計與實現

畢建忠，柯賢文

（中國人民解放軍總參通信訓練基地，河北 宣化075100）

1 系統簡介

電子電路集成工藝的飛速發展使計算機系統體積不斷縮小，性能不斷地提升，同時移動通信技術的發展讓這些計算機系統更加的便攜，許多便攜式計算機開始使用電池供電。高性能運算通常伴隨著高功耗，而電池技術的嚴重滯后和人們環保意識的增加使得性能和功耗之間的問題越發突出。電源管理技術的出現緩和了兩者之間的矛盾，通過有效的電源分配降低系統的整體功耗。電源管理技術在桌上型計算機、服務器上十分常見，然而在嵌入式領域，由于嵌入式系統的開發通常是針對特殊的應用場合，電源管理技術發展相對緩慢。本文以一個完整的嵌入式系統手持終端設備為例，對系統的電源管理電路進行了設計，以ARM為控制中心，內部包含256 MBDDR內存和512 MBNand Flash存儲器，提供異步串口、USB、Wi Fi、AC97、顯示等電路單元。充電接口包括USB和交流適配器兩種接口，其中交流適配器輸出電壓范圍在5～12 V之間，提供大于1 A的輸出電流。

電源部分主要包括：電池檢測電路、電池充電電路、電源智能選擇器、DC－DC轉換、電源控制電路等。

2 電源管理電路分析

2.1 充電管理芯片介紹

充電管理芯片選用MAXI M的MAX8903 A，基本特性如下：

（1）4.15 V～16 V 的高效 DC－DC輸入范圍，不需要設計散熱器，有利于設計體積小的設備；

（2）公用或單獨的USB和適配器輸入，具有高達2 A（可調）的電流上限；

（3）4 MHz開關頻率允許使用微小的外部元件；

（4）立即導通：在沒有電池或電池過放電時保持工作；

（5）50 mΩ集成負載開關；

（6）高達16 V的輸入OVP（過壓保護）；

（7）熱敏電阻監測，熱調整功能防止過熱；

（8）充電定時器；

（9）4 mm×4 mm、28引腳TQFN封裝。

2.2 電源管理電路分析

電源管理電路框圖如圖1所示。

系統接成雙輸入外接電源模式（交流適配器和USB）。連接交流適配器時，芯片通過內部高效的DCDC降壓轉換器，單獨或同時提供系統工作電源和電池充電電源。當連接USB外接電源時，充電電流限制小于500 mA，系統負載電源大于USB供電能力時，不足部分由電池電量提供補充。智能電源選擇器在外接電源和電池之間實現自動切換，保證系統的不間斷供電。外接電源檢測和充電檢測連接CPU的GPIO端口用于系統監控電源狀態。

圖1 電源管理電路框圖

外接電源以交流適配器為主，不推薦使用USB連接，原因是USB供電能力有限，在系統工作狀態下，完成充電需要相當長的時間。

系統電源管理部分電路原理圖如圖2所示。

（1）充電電流控制

充電電流受R8P和R9P控制，充電電流的最大值為1 200／R8P，同時充電電流小于6 000／R9P，其中6 000／R9P直流電源限流設置。如圖2所示，當R8P＝1.5 kΩ、R9P＝3 kΩ時，直流電源限流為6 000／3 000＝2 A，充電限流1 200／1 500＝0.8 A。如果R8P＝1.2 kΩ、R9P＝5 kΩ，直流電源限流為6 000／5 000＝1.2 A，充電限流1 200／1 200＝1 A。

本系統選用R8P＝1.5 kΩ、R9P＝3 kΩ。

（2）系統電壓切換

當DCIN和USB同時接入系統電源輸入時，DCIN輸入優先，USB輸入自動關閉。DCIN同時供給電池充電和MBAT（系統供電電源），電池還可以起到減少MBAT電壓波動的作用。

電池充電完成后，充電電路部分關閉，DCIN供給MBAT系統電源，MBAT電壓穩定在4.4 V。

（3）充電指示

MAX8903管腳DOK是直流電源連接指示輸出，低電平有效，指示燈D2P用于指示直流電源連接狀態，同時信號連接到CPU的GPIO管腳，用于軟件檢測此狀態。

MAX8903管腳CHG是正在充電指示輸出，低電平有效，指示燈D3P用于指示充電狀態，同時信號連接到CPU的GPIO管腳，用于軟件檢測充電狀態。

圖2 電源管理部分電路原理圖

MAX8903管腳FLT是故障指示輸出，低電平有效，指示燈D1P用于指示故障狀態，如充電超時等。

（4）電池溫度保護

MAX8903管腳T H M到GND連接10 kΩ的負溫度系數熱敏電阻，用于檢測充電過程中電池的溫度變化，當電池溫度超過設定極限溫度時，暫時停止給電池充電，直到電池溫度下降到安全溫度范圍。

（5）DC－DC降壓轉換器電感選擇

DC－DC降壓轉換器采用開關頻率值為4 MHz的控制架構，通過調整占空比實現降壓轉換。推薦的電感選擇如表1。

表1 DC－DC降壓轉換器電感推薦值

本系統充電電流在不到1 A附近，輸入電壓在12 V左右，選擇電感2.2μH。

（6）PCB布局

PCB布局（局部）如圖3所示。

圖3 PCB布局（局部）

系統電路PCB布局為十層板設計，圖中只顯示頂層PCB布線。PCB布局原則：大電流部分采用短而寬的布線連接；裸焊盤采用多個過孔連接散熱地，以利于散熱；電流設置電阻直接接地，減少電流偏差；減小功率電流對穩壓部分的影響等。

3 性能測試數據

電源管理電路主要指標：充電效率、輸出工作電壓、充電電流等，電路測試連接如圖4所示。

3.1 外接電源電壓固定

圖4 電源管理電路測試連接圖

外接電源電壓固定時，充電電流和電池電壓的數據關系測試數據如表3。圖5為測試數據關系示意圖。

表3 外接電源電壓固定時的測試數據

圖5 外接電源電壓固定時，充電電流和電池電壓的關系

3.2 外接電源電壓變化

外接電源電壓的變化對應于固定工作電流，其輸入電流和電源轉換效率的測試數據見表4。圖6為測試數據關系示意圖。

表4 外接電源電壓變化時的測試數據

圖6 外接電源電壓變化時的輸入電流和電源轉換效率的關系

以上測試數據反映系統正常工作需要的外接電源需求。

4 結 論

在嵌入式系統中，電源管理單元是系統必需的重要組成部分。在本系統中，以MAX8903為核心的電源管理電路單元以其輸入范圍寬、體積緊湊、外圍電路簡單、工作效率較高等優勢，很好地實現了電源管理單元的功能需求。

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