基于嵌入式系统的RFID手持机电源设计

中心议题：
       *电源方案选择、芯片选型和电路的设计

0 引言

RFID 手持机在交通运输、门禁、物流、考勤、货物管理、身份识别等方面有着十分广泛的应用。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。