兩種實用的電池供電電路分析

    隨著信息時代的來臨，手持電子產品層出不窮(如PDA、數碼相機、手機等)。這些產品主要採用電池供電，在此類產品中如何設計電源管理電路，確保產品的實用性、經濟性成為產品設計的關鍵問題。本文從設計手持產品的工作實踐出發，討論兩種典型的電池供電電路的設計情況。

1 硬開關電路設計實例
    硬開關電路是將2節7號電池的串聯電壓通過DC/DC轉換器MAX756轉換成3.3 V的電壓，電路圖如圖1所示。如果不經升壓電路而直接由電池供電，那麼因電池端產生的電壓存在一個由高到低的下降過程。2節新電池的串聯電壓在3 V以上，隨著能量的耗盡，會下降到2V以下，導致機器無法正常工作。JM2按鍵為開/關機鍵，在按動JM2時，由於按鍵的抖動，會產生誤動作。由R20, C13, R21,R22, R23, V9構成的充放電迴路，作用是通過適當地選擇R20,C13,R21的值，使充放電迴路的充電時間與放電時間都大於鍵抖動時間，從而有效地消除鍵的抖動。V9集電極輸出的按鍵脈衝經去抖后，再通過U25 (74HC14)三個帶施密特觸發器的反相器進一步濾波整形，產生波形完整的單脈衝。由該脈衝觸發U24A(74HC74 D觸發器)的翻轉。
    圖1中:
① 若U24A的5腳Q端輸出高電平，則6腳Q端輸出低電平，該低電平輸入到MAX756的1腳禁止端(低電平有效)。此時MAX756處於關斷狀態，但由於DC/DC轉換電路中的脈衝整流管V5的存在，電池電壓仍然經V5到達DC/DC的輸出端6腳。因此，在電路中還必須加一個晶體管V11作為開關元件。在U24A的6腳Q端輸出低電平使MAX756處于禁止狀態時，U24A的5腳Q端輸出高電平使晶體管V11處於截止狀態，從而使電池到主電路的電源VCC的通路處於徹底關斷狀態，機器處於關機狀態，並且關機時整機電流為最小，經測量不超過5uA。
② 當按鍵脈衝觸發U24A(74HC74 D觸發器)翻轉，U24A的5腳Q端輸出低電平，6腳Q端輸出高電平時，MAX756處於工作狀態，因輸出電壓控制端2腳為高電平，所以輸出+3.3 V的電壓。同時，U24A的5腳Q端輸出低電平促使晶體管V11處於導通狀態，這樣MAX756輸出可為主電路提供工作電源，機器處於開機狀態。
 
    在開機狀態下，單片機的輸出SWPW保持為低電平。當單片機將SWPW輸出改為高電平時，通過V10構成的反相電路輸出低電平，使U24A置1端有效，U24A的5腳Q端輸出高電平，6腳Q端輸出低電平，機器將被關機，所以SWPW可作為“自動關機”信號。由於在單片機上電複位時1/O口輸出為高電平，複位時的SWPW高電平會引起“複位誤關機”現象。為防止這種現象的發生，在SWPW輸出電路中加了由R25,C14構成的充電迴路，適當選擇R25,C14的取值，複位后在R25,C14充電迴路未充到V10導通的閥值電平0.7 V 之前將SWPW置為低電平，便可避免“複位誤關機”現象。
    MAX756的5腳LBI是電池低電壓的檢測引腳，如果該引腳上的電壓下降到內部參考基準電壓1.25 V以下，MAX756的4腳LBO(漏極開路型輸出)便會輸出低電平，可作為電池低壓報警信號。報警電壓點的設定依據有兩個。
① 國標要求電池終止電壓為0.9 V 。經過實際測量，當2節7號電池的串聯電壓降到2V以下時，電池能量即將耗盡，已不能維持產品持續穩定工作。因此將電池低壓檢測報警點設定在2 V。
② MAX756的報警電壓U低計算公式為:

    之所以稱該電路為硬開關電路，主要原因在於按下JM2便可實現開關機，無須再由單片機來輔助。SWPW的作用是實現定時自動關機。接下來講的電池供電電路在按鍵控制開關機時必須有單片機來輔助才行。

2 軟開關電路設計實例
    在圖2所示的電源管理電路中，採用了日本理光公司的RN5RK331A DC/DC轉換器，將電池提供的電壓變換為3.3 V的電壓后再供給主電路，保證在電池的整個壽命周期內機器都能穩定工作。
  
    該電路的開/關機的過程分為這樣兩種情況:
① 在關機狀態下，JM16鍵作為開機鍵使用。按下JM16，電池電壓經V1到達V5的基極，促使V5和V7導通;電池電壓經V7到DC/DC轉換器RN5RK331A 的輸入端和使能端，DC/DC轉換器開始工作，向主電路輸出3.3 V電源。支付密碼器進入開機狀態后，再由單片機的P3.6輸出低電平並經反相后通過V2使V5和V7保持導通狀態，這樣即使JM16鍵鬆開后，支付密碼器也能維持開機狀態，P3.6 輸出低電平起到開機自保的作用。
② 在開機狀態下，JM16鍵作為關機鍵使用。未按下JM16鍵時，SWH信號點為低電平。按下JM16鍵，SWH信號點為高電平，這一信號變化通過鍵盤介面被單片機讀取;在開機時檢測到JM16的閉合，可確定為關機命令;等到JM16鍵鬆開后，單片機的P3.6輸出高電平並經反相后通過V2使V5和V7變為截止狀態，支付密碼器因為沒有電源供給而關機。在該供電電路中晶體管V7是電池供電的開關元件，將它設在DC/DC轉換電路的前面，關機時將DC/DC轉換器的供電迴路完全切斷，進一步減小了關機時的漏電流。整機關機后，經檢測，關機電流小於5uA。圖2中的電池低電壓檢測報警由日本理光公司的RN5VT20CA(U9)實現，檢測電壓為固定值2V。
    與圖1相比較，用JM16鍵開機后，還必須利用單片機P3.6 輸出低電平實現開機自保，因此稱該電路為“軟開關電路”。使用該軟開關電路的優點是無須考慮按鍵去抖動問題，硬體電路簡單，可降低硬體成本，節約印製板板面，在手持式產品中印製板板面是非常寶貴的(元器件的數量直接影響印製板的大小和產品整體外觀)。缺點是當受到外界強信號干擾或由於電池電量不足而引起死機時，按鍵JM16將不起作用，必須取出電池，再重新裝入方能解決死機現象。當然這種情況出現的機率極低，且因電池電量不足而引起死機時，就需要更換電池了。而圖1的硬開關電路中，當碰到死機現象時，無需觸摸電池，通過按鍵JM2就能實現開機和關機。

3 電源濾波
    在以上介紹的DC/DC轉換電路中，採用的是DC/DC升壓轉換器件，升壓型DC/DC轉換器的電路結構如圖3所示。
 
    開關K導通時電池BT給電感L充電，在L中以場的形式儲存能量1/(2L×I²)。 其中，I為電感電流。K斷開后，L中的磁能又以電能的形式釋放給濾波電容C2和負載RL。周期性的開關操作使電池能量源源不斷地送入負載，而輸出電壓被轉換為:
Vout = Vin/(1-δ)
式中，δ為開關占空比(導通時間占工作周期的比率)。控制電路監測輸出電壓並控制占空比，從而達到調節和穩定輸出電壓的目的。本文介紹的DC/DC升壓轉換器件的控制方式均為PFM(脈衝頻率調製)，具有較小的靜態電流，輕載情況下效率較高，但紋波稍大。為保證主電路穩定工作，必須考慮對電源輸出進行濾波。一般採用無源濾波電路來進行濾波，無源濾波的主要形式有電容濾波、電感濾波和複式濾波(包括倒L型,LCπ型濾波和RCπ型濾波等)。當採用電感濾波或複式電感型濾波時，需採用電感量高、體積大的電感，對手持、攜帶型產品並不適用，所以在負載電流較小的場合，採用RCπ型濾波，結構簡單、經濟，濾波效果也比較好。濾波電容的等效串聯電阻<ESR)是造成輸出紋波的主要因素，電容的材質應選擇具有較低ESR的陶瓷電容、鋁電解電容和鈕電解電容，應盡量避免標準鋁電解電容。採用RCn型濾波時，輸出電壓兩端的脈動係數S=1/(Kω×C×R)。K為常數，由該公式可知，在ω值一定的情況下，R愈大，C愈大，則脈動係數愈小，也就是濾波效果就越好。R值增大時，電阻上的直流壓降會增大，這樣就增大了直流電源的內部損耗;若增大C的電容量，又會增大電容器的體積和重量，也不易實現，因此電容的容量一般為10-100 uF，電阻的值一般在10 Ω以下。

結語
    以上介紹的兩種電池供電電路，都是將電池電壓轉換為+3.3 V直流電壓，為單片機應用系統提供工作電源的DC/ DC升壓電路。這類電路主要用在由2節7號電池供電的PDA、手持終端等產品中，其他類產品(如手機、數碼相機)的電池供電電路會有所不同，但工作原理基本相似。在電池供電電路的設計中，都會面臨如何實現開關機、降低關機電流、減小輸出電源中的紋波和干擾信號、提高轉換效率等一系列問題。只有妥善地解決這些問題，才能確保產品穩定可靠地工作。本文所講的兩個實例較好地解決了這方面的問題，已經在產品中實際應用，效果良好。當然隨著新器件的不斷湧現，還需不斷地改進和完善此類電路的設計，以提升產品的整體性能。