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(yīng)用。RFID 手持設(shè)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(shè)計一個穩(wěn)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(jié)構(gòu)
在基于嵌入式系統(tǒng)的RFID 手持機系統(tǒng)設(shè)計中，以微處理器LPC2142 為主控制器，根據(jù)系統(tǒng)的需求外擴了SRAM、Flash、SD 卡、鍵盤、LCD 顯示、聲響提示進行數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)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(zhuǎn)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(biāo)簽之間射頻信號的收發(fā)，通過JTAG 接口可以進行程序的調(diào)試與下載。電源部分可以為系統(tǒng)中需要電源的各個模塊提供電源，這是本文設(shè)計的重點內(nèi)容。系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖1 所示。
圖1 系統(tǒng)硬件框圖
2 需求電源的指標(biāo)
經(jīng)設(shè)計并計算，該系統(tǒng)需要兩種電壓的電源，一路是3. 3 V 的，為鍵盤、LCD 復(fù)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(tǒng)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(tǒng)采用電池供電，欲達到性能指標(biāo)如下：
?。?1） 電源轉(zhuǎn)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(nèi)；
（ 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。
表1 4 種電源芯片的比較
注： LDO 為Low DropOut 的縮寫，即低壓差線性穩(wěn)壓器。
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(wěn)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(diào)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(dǎo)沒有經(jīng)驗的設(shè)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(guān)鍵，決定系統(tǒng)設(shè)計的成敗，應(yīng)引起高度重視。
其次，手持設(shè)備的電源設(shè)計中，要注意芯片的靜態(tài)電流，這一點對系統(tǒng)的待機時間影響很大，好的電源芯片的靜態(tài)電流在μA 級，較差的芯片在mA 級，相差上千倍，靜態(tài)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(fù)載來考察效率。電源效率與輸出電流是密切相關(guān)的，當(dāng)輸出電流很小或很大時，效率都會變得較差，需要根據(jù)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，5V 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. 5V ～ 4. 2 V（ 4. 2 V 是滿充可以達到的電壓） 之間都應(yīng)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(dāng)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(dāng)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(zhuǎn)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(zhuǎn)換芯片，TPS63031 在輸入電壓在2. 4 ～ 5. 5 V 范圍內(nèi)，通過升壓或者降壓工作模式輸出高達800 mA 的電流，在節(jié)能模式下，當(dāng)輸出電流在100 ～ 500 mA 之間變化時，效率均在80 % 以上。TPS61240 是可以工作在3. 5 MHz 的升壓DC-DC，輸出電流可以達到450mA，具有PFM/PWM 工作模式，當(dāng)負(fù)載電流在200 mA左右時，可以在電池的電壓范圍內(nèi)提供80 %以上的效率。
由于微處理器對電源紋波要求較高，所以在3. 3V 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(wěn)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. 3V 低的TPS78320，可以輸出3. 2 V 電壓，最大可以輸出150 mA 的電流，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(tài)電流僅為500 nA，這正符合電池供電的手持系統(tǒng)節(jié)能的要求。
5 電源電路設(shè)計
仔細(xì)閱讀芯片手冊，設(shè)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(wěn)壓器，U4 是LDO，DC-DC 的3. 3 V輸出經(jīng)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(tài)響應(yīng)，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(wěn)定和濾波。其中C1和C4要采用額定電壓不小于6. 3V 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(dāng)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(huán)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(tài)用的，/CHG 管腳接微處理器的GPIO 管腳，當(dāng)處于充電狀態(tài)時，該引腳輸出低電平； 當(dāng)/CHG 變?yōu)楦咦钁B(tài)時，表示電池已經(jīng)充滿。
圖2 系統(tǒng)電源電路圖
6 調(diào)試
6. 1 調(diào)試步驟
按照原理圖上的參數(shù)在印制電路板上焊接好元器件之后，仔細(xì)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(xì)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(yīng)該存在的短路現(xiàn)象。
6. 2 調(diào)試注意事項
電源系統(tǒng)的調(diào)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(diào)試，焊接一個檢查并調(diào)試一個，當(dāng)各個模塊都沒有問題時再進行總體調(diào)試。
比較復(fù)雜的系統(tǒng)，應(yīng)該先焊接、檢查、調(diào)試系統(tǒng)的電源，調(diào)試成功后再調(diào)試其他模塊。
加電后首先要用手摸一下各個芯片是否發(fā)燙，如果發(fā)燙，為避免芯片長時間發(fā)燙被燒毀，則首先要切斷電源，待查明原因后再加電調(diào)試。
加電后若聽到芯片發(fā)出聲音，應(yīng)該切斷電源，檢查出現(xiàn)問題電路中有沒有短路的情況，查出問題后再繼續(xù)加電調(diào)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(jié)論
經(jīng)測試，3. 3 V 電源的輸出電壓波動在0. 097V 以內(nèi)，3. 2 V 的輸出波動在0. 05 V 以內(nèi)，5 V 輸出的波動在0. 1 V 以內(nèi)，即各路電壓的波動均在±3 % 以內(nèi)，通過外接相應(yīng)額定功率電阻時，各元件均工作正常，即系統(tǒng)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?？傊到y(tǒng)的各項指標(biāo)均達到了預(yù)期的要求。