軟開關電路 - 兩種典型的電池供電電路的設計方案

　　該電路的開/關機的過程分為這樣兩種情況：

　?、僭陉P機狀態(tài)下，JM16鍵作為開機鍵使用。按下JM16，電池電壓經(jīng)V1到達V5的基極，促使V5和V7導通；電池電壓經(jīng)V7到DC/DC轉(zhuǎn)換器RN5RK331A的輸入端和使能端，DC/DC轉(zhuǎn)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(tài)后，再由單片機的P3.6輸出低電平并經(jīng)反相后通過V2使V5和V7保持導通狀態(tài)，這樣即使JM16鍵松開后，支付密碼器也能維持開機狀態(tài)，P3.6輸出低電平起到開機自保的作用。

　?、谠陂_機狀態(tài)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接口被單片機讀??；在開機時檢測到JM16的閉合，可確定為關機命令；等到JM16鍵松開后，單片機的P3.6輸出高電平并經(jīng)反相后通過V2使V5和V7變?yōu)榻刂範顟B(tài)，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(zhuǎn)換電路的前面，關機時將DC/DC轉(zhuǎn)換器的供電回路完全切斷，進一步減小了關機時的漏電流。整機關機后，經(jīng)檢測，關機電流小于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(xiàn)，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(xiàn)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(yōu)點是無須考慮按鍵去抖動問題，硬件電路簡單，可降低硬件成本，節(jié)約印制板板面，在手持式產(chǎn)品中印制板板面是非常寶貴的（元器件的數(shù)量直接影響印制板的大小和產(chǎn)品整體外觀）。缺點是當受到外界強信號干擾或由于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(xiàn)象。當然這種情況出現(xiàn)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(xiàn)象時，無需觸摸電池，通過按鍵JM2就能實現(xiàn)開機和關機。

　　電源濾波

　　在以上介紹的DC/DC轉(zhuǎn)換電路中，采用的是DC/DC升壓轉(zhuǎn)換器件，升壓型DC/DC轉(zhuǎn)換器的電路結構如圖3所示。

　　圖3

　　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(zhuǎn)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(jiān)測輸出電壓并控制占空比，從而達到調(diào)節(jié)和穩(wěn)定輸出電壓的目的。本文介紹的DC/DC升壓轉(zhuǎn)換器件的控制方式均為PFM（脈沖頻率調(diào)制），具有較小的靜態(tài)電流，輕載情況下效率較高，但紋波稍大。為保證主電路穩(wěn)定工作，必須考慮對電源輸出進行濾波。一般采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、電感濾波和復式濾波（包括倒L型，LCπ型濾波和RCπ型濾波等）。當采用電感濾波或復式電感型濾波時，需采用電感量高、體積大的電感，對手持、便攜式產(chǎn)品并不適用，所以在負載電流較小的場合，采用RCπ型濾波，結構簡單、經(jīng)濟，濾波效果也比較好。濾波電容的等效串聯(lián)電阻《ESR）是造成輸出紋波的主要因素，電容的材質(zhì)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。采用RCn型濾波時，輸出電壓兩端的脈動系數(shù)S=1/（Kω×C×R）。K為常數(shù)，由該公式可知，在ω值一定的情況下，R愈大，C愈大，則脈動系數(shù)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(nèi)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(xiàn)，因此電容的容量一般為10-100 uF，電阻的值一般在10Ω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(zhuǎn)換為+3.3 V直流電壓，為單片機應用系統(tǒng)提供工作電源的DC/ DC升壓電路。這類電路主要用在由2節(jié)7號電池供電的PDA、手持終端等產(chǎn)品中，其他類產(chǎn)品（如手機、數(shù)碼相機）的電池供電電路會有所不同，但工作原理基本相似。本文所講的兩個實例較好地解決了在電池供電電路的設計中，面臨的如何實現(xiàn)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(zhuǎn)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(chǎn)品穩(wěn)定可靠地工作。