微電子技術的(de)發展和(hé)工業測量的(de)需求，使便攜式儀表有著(zhe)很好的(de)發展前景。便攜式儀表體積小，單電源供電，多(duō)種電壓輸出的(de)特點，使其電源模塊的(de)設計有其特殊性。通(tōng)過對(duì)便攜式儀表典型硬件結構的(de)分(fēn)析，總結了(le)各功能模塊的(de)電源需求，提出了(le)便攜式儀表電源處理(lǐ)的(de)一般方法，并給出了(le)兩種電源模塊的(de)設計實例。
關鍵詞：便攜式儀表；電池；電源處理(lǐ)

在微電子技術基礎上發展起來(lái)的(de)單片機及其外圍器件，使儀表技術進入了(le)一個(gè)嶄新的(de)智能化(huà)時(shí)代。此外，半導體工藝的(de)發展使器件普遍地采用(yòng)CMOS技術，CMOS器件不僅器件的(de)體積越來(lái)越小，也(yě)爲實現低電壓、低功耗和(hé)功耗管理(lǐ)提供了(le)良好的(de)條件，使便攜式儀表的(de)普及成爲可(kě)能。因此，低功耗的(de)便攜式儀表有著(zhe)很好的(de)發展前景。從使用(yòng)者的(de)角度來(lái)說，希望便攜式儀表在大(dà)多(duō)數情況下(xià)都能攜帶方便，操作簡單，無需複雜(zá)維護又能長(cháng)時(shí)間可(kě)靠地工作。爲滿足以上要求，一方面要選擇合适的(de)低功耗器件，另一方面也(yě)對(duì)電源模塊的(de)設計提出了(le)更高(gāo)的(de)要求。
便攜式儀表中大(dà)量CMOS器件的(de)低功耗的(de)特性，使得(de)普通(tōng)的(de)電池就能爲系統提供充足的(de)電能，因此，利用(yòng)單一的(de)電池電源，來(lái)滿足系統中各部分(fēn)不同的(de)電源需求，并确保電源正常供電，是便攜式儀表電源處理(lǐ)模塊的(de)基本任務。

1便攜式儀表的(de)硬件結構
便攜式儀表通(tōng)常是一個(gè)由單片機及其外圍器件構成的(de)，具有多(duō)種輸入輸出形式的(de)單片機系統，其硬件的(de)一般結構如圖1所示。将其按照(zhào)功能模塊劃分(fēn)并分(fēn)析各模塊電源需求如下(xià)：

——傳感器模塊包括傳感器及其驅動電路和(hé)傳感器輸出信号處理(lǐ)電路。傳感器及其驅動電路通(tōng)常以模拟電路爲主，輸出信号處理(lǐ)一般使用(yòng)V/F轉換器件或模數轉換器件，因此傳感器模塊通(tōng)常的(de)電壓需求爲＋5V或±5V。
——人(rén)機對(duì)話(huà)的(de)輸入輸出模塊包括LCD顯示和(hé)鍵盤輸入驅動電路。LCD顯示輸出除了(le)需要提供＋5V工作電壓外，一般還(hái)需要提供對(duì)比度調節電壓，LCD顯示器有正、負極性之分(fēn)，不同的(de)顯示器需要的(de)對(duì)比度調節電壓也(yě)不同，一般在±28V之内。
——單片機及其接口模塊作爲整個(gè)系統的(de)核心，單片機要連接和(hé)管理(lǐ)其他(tā)的(de)模塊，與不同的(de)模塊連接，就會用(yòng)到不同的(de)接口。例如，不少便攜式儀表提供微型打印機接口，将信息打印出來(lái)；很多(duō)便攜式儀表上都有非易失存儲單元，即使斷電仍能長(cháng)時(shí)間保留曆史信息；另一些便攜式儀表提供RS－232串行通(tōng)信接口，可(kě)以将保留的(de)數據輸出到PC機中，做(zuò)更高(gāo)級的(de)分(fēn)析和(hé)處理(lǐ)，或是實時(shí)将測量數據傳遞給上位機，由上位機處理(lǐ)并完成相應的(de)實時(shí)控制功能。這(zhè)一模塊使用(yòng)到的(de)都是各種IC芯片，一般來(lái)說都要求＋3.3V或＋5V。
從以上的(de)分(fēn)析可(kě)以看出，系統中各個(gè)模塊對(duì)電源的(de)要求是不同的(de)，電源模塊就是要将單一的(de)電池電源轉換成能使系統中的(de)各模塊正常工作的(de)多(duō)種電源輸出。便攜式儀表體積雖小，卻是一個(gè)很完整的(de)系統，在設計便攜式儀表的(de)硬件時(shí)，首先應盡量使各模塊的(de)電源需求一緻。比如傳感器模塊有＋5V的(de)電壓需求，那麽在單片機及其接口器件的(de)選擇時(shí)，就應盡量選擇＋5V供電的(de)IC芯片。
盡管如此，設計時(shí)仍不可(kě)避免地會遇到兩種甚至兩種以上的(de)電源需求，這(zhè)就是電源模塊要解決的(de)關鍵問題，其中主要是解決LCD顯示器的(de)對(duì)比度調節電壓的(de)輸出。設計電源模塊時(shí)要根據不同的(de)電源輸入輸出要求選擇相應的(de)集成電源穩壓變換器件，在滿足電源要求的(de)前提下(xià)，使外圍電路盡可(kě)能的(de)簡單，體積盡可(kě)能小。
2電源穩壓變換器件
市場(chǎng)上可(kě)供選擇的(de)電池規格多(duō)種多(duō)樣，除了(le)較常規的(de)1.2V（或1.2V整數倍）的(de)鎳镉充電電池（電池組）、1.5V和(hé)9V的(de)幹電池和(hé)3.6V的(de)锂電池以外，還(hái)有各種特殊的(de)3、4.5、5、6V和(hé)12V的(de)電池可(kě)供選擇，但從使用(yòng)者更換或購(gòu)買備用(yòng)電池方便性的(de)角度考慮，應盡可(kě)能使用(yòng)互換性更好的(de)普通(tōng)電池。
完成電源穩壓變換可(kě)供選擇的(de)集成電源器件主要有如下(xià)幾類：低壓差線性穩壓器件、通(tōng)用(yòng)開關型穩壓器件、多(duō)功能或專用(yòng)的(de)電源器件、電壓基準器件，還(hái)有用(yòng)于确保電源正常供電的(de)各類電源監控管理(lǐ)器件[1]。
便攜式儀表本身的(de)功耗較小，一般要求的(de)電源輸出功率不大(dà)，從體積上考慮，與電路中的(de)其他(tā)器件一樣選用(yòng)IC芯片，而不宜選用(yòng)傳統的(de)線性穩壓器件；對(duì)于電池供電的(de)系統，由于經過一段時(shí)間的(de)放電後，電池電壓總會有一定程度的(de)下(xià)降，這(zhè)時(shí)電源模塊應仍能保持穩定的(de)輸出電壓，這(zhè)就要求電源模塊對(duì)輸入電壓的(de)要求不能太苛刻，即允許輸入電壓在一定範圍内變化(huà)；一般都要求雙電壓輸出。
在各種集成電源器件中，通(tōng)用(yòng)開關型集成穩壓器件有較高(gāo)的(de)電源效率，适應較寬的(de)輸入電壓範圍，容易通(tōng)過變換，産生多(duō)種類型的(de)輸出電壓，非常适合于使用(yòng)電池供電的(de)系統，因此在便攜式儀表産品中有著(zhe)廣泛的(de)應用(yòng)。
這(zhè)類DC/DC轉換器件按控制方式不同，可(kě)以分(fēn)爲脈沖寬度調制式（PWM）、脈沖頻(pín)率調制式（PFM）和(hé)開關電容泵式；按輸入電壓不同可(kě)以分(fēn)爲升壓式、降壓式和(hé)可(kě)分(fēn)别工作于升壓和(hé)降壓兩種狀态的(de)轉換器；按輸出電壓不同可(kě)以分(fēn)爲單一固定/可(kě)調電壓輸出和(hé)多(duō)路固定/可(kě)調電壓輸出。
脈沖寬度調制式（PWM）轉換器工作于固定的(de)開關頻(pín)率，其濾波電路的(de)設計較簡單；脈沖頻(pín)率調制式（PFM）轉換器在小功率輸出時(shí)可(kě)望獲得(de)較低的(de)靜态電流；開關電容泵式轉換器的(de)外圍電路簡單，适用(yòng)于小輸出電流的(de)電源變換[1]。
從外圍電路的(de)複雜(zá)程度來(lái)看，固定電壓輸出的(de)比可(kě)調電壓輸出的(de)簡單，單一電壓輸出的(de)比多(duō)路電壓輸出的(de)簡單。以下(xià)給出一便攜式儀表電源模塊的(de)設計實例。
3應用(yòng)實例
該便攜式儀表要求使用(yòng)兩節5号幹電池，提供－10V的(de)LCD對(duì)比度調節負電壓，＋5V傳感器驅動電路和(hé)其他(tā)器件電源，輸出工作電流爲200mA。根據這(zhè)個(gè)單電源輸入雙電壓輸出的(de)電源要求，針對(duì)不同的(de)系統硬件條件，給出兩種不同電源變換電路的(de)方案。
3.1使用(yòng)雙電壓輸出升壓DC/DC變換器MAX1677完成
MAX1677适用(yòng)于需兩種可(kě)調電源的(de)便攜式儀表。其主要性能爲：
——允許的(de)輸入電壓範圍爲0.7～5.5V；
——主輸出2.5～5.5V（可(kě)調電壓輸出），或工廠預設值3.3V輸出，最大(dà)輸出電流可(kě)達350mA；
——第二輸出可(kě)爲LCD對(duì)比度調節提供＋28～－28V範圍内的(de)電壓；
——電源效率可(kě)達95％；
——16腳QSOP封裝，體積很小，不需要外部場(chǎng)效應管。
其他(tā)性能還(hái)包括：
——20μA靜态工作電流；
——1μA關斷維持電流；
——電池欠電壓監測[2]。
由于MAX1677輸入電壓範圍（0.7～5.5V）較大(dà)，可(kě)以依據不同系統提供的(de)安裝電池空間和(hé)所需的(de)不同電池電壓與容量，靈活地選擇電池的(de)種類，比如1～3節普通(tōng)幹電池、堿性電池、鎳镉充電電池或1節锂電池均可(kě)以使系統正常工作。使用(yòng)MAX1677的(de)電源模塊實際電路原理(lǐ)圖如圖2所示。

圖2中的(de)一些電路參數的(de)說明(míng)如下(xià)：
——磁芯電感L1、L2可(kě)選用(yòng)CoilCraft（線藝）的(de)DO1608C-103表貼磁芯電感，電感值爲10μH；
——肖特基二極管D1、D2也(yě)可(kě)選用(yòng)其他(tā)型号，隻要反向耐壓大(dà)于16V即可(kě)；
——電阻R1和(hé)R2的(de)比值決定了(le)LCD對(duì)比度輸出的(de)電壓值VLCD（對(duì)應圖中的(de)VOUT2），關系式爲R1=R2×|VLCD|/1.25V，其中R1的(de)取值範圍爲500kΩ～2MΩ；
——電阻R3和(hé)R4的(de)比值決定了(le)主輸出電壓值VOUT(對(duì)應圖中的(de)VOUT1)，關系式爲R3=R4×[(VOUT/1.25V)－1]，其中R4的(de)取值範圍爲10～200kΩ；
——電阻R5和(hé)R6的(de)比值決定了(le)系統欠電壓監測的(de)門檻電壓值VTRIP，關系式爲R5=R6×[(VTRIP/0.614V)－1]，其中R6≤130kΩ。
當電池電壓正常時(shí)，電池電壓過低輸出管腳LBO（Low-BatteryOutput）輸出保持高(gāo)電平；一旦電池電壓低于門檻電壓VTRIP時(shí)，LBO管腳輸出變爲低電平。如果不使用(yòng)欠電壓監測的(de)話(huà)，隻需将第3管腳（LBI）接地。
使用(yòng)0805表貼元件，則此電源模塊在電路闆上實際尺寸隻有22mm×17mm。此電源模塊的(de)應用(yòng)比較靈活，可(kě)以根據實際系統的(de)需要，按照(zhào)以上關系式選取相應的(de)電阻值，得(de)到需要的(de)電壓輸出。
3.2使用(yòng)單電壓輸出的(de)DC/DC變換器從系統中其它器件上借用(yòng)輔助電源
對(duì)于電路中還(hái)包括RS-232串行接口的(de)系統來(lái)說，還(hái)有一種僅使用(yòng)單輸出DC/DC電壓變換器件就能滿足上述要求的(de)電源處理(lǐ)方法：選用(yòng)單電壓輸出DC/DC變換器得(de)到＋5V輸出，使用(yòng)MAX202E完成RS-232串行接口，借用(yòng)其内部的(de)雙路電荷泵電壓轉換器的(de)負電壓輸出爲LCD提供對(duì)比度調節負電壓。一般來(lái)說，單一的(de)電池電源輸入得(de)到單一的(de)＋5V輸出的(de)DC/DC升壓正電壓變換器件品種很多(duō)，選擇的(de)餘地較大(dà)，外圍電路也(yě)更簡單一些，這(zhè)裏不作特别說明(míng)。以下(xià)主要給出借助MAX202E得(de)到－10V電壓輸出的(de)方法。
MAX202E是＋5V供電的(de)雙路RS-232驅動器，它的(de)内部還(hái)包含了(le)＋5V及±10V的(de)兩個(gè)電荷泵電壓轉換器，其中倍壓輸出電荷泵使用(yòng)電容C1，在輸出濾波電容C3上得(de)到＋10V輸出；倒相電荷泵使用(yòng)電容C2，在輸出濾波電容C4上得(de)到－10V輸出；電壓輸入的(de)旁路電容爲C5；正常的(de)使用(yòng)中，這(zhè)5個(gè)電容都可(kě)以使用(yòng)普通(tōng)的(de)0.1μF電容，其典型電路連接如圖3所示。

MAX202E允許電荷泵産生的(de)±10V作爲電源輸出，當借用(yòng)電荷泵的(de)倍壓輸出或倒相輸出作電源使用(yòng)時(shí)，隻需增大(dà)相應的(de)電荷泵電容C1或C2（10μF以内），就可(kě)以維持器件的(de)工作性能；若相應的(de)輸出濾波電容C3或C4選用(yòng)更大(dà)的(de)電容值（10μF以内），則可(kě)減小電源的(de)輸出阻抗[2]。使用(yòng)這(zhè)種方法也(yě)不失爲一種簡化(huà)外圍電路的(de)好辦法。