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高效率RFID手持机电源设计

通信电源技术 孟海斌 张红雨?? 2011年09月30日 ?? 收藏0

  摘要: 针对锂电池供电的Radio Frequency IDentification( RFID) 手持机对电源高效率的要求和微处理器对电源低纹波的要求,提出了一种电源设计方案。简要介绍了各种电源芯片的特点和手持设备电源芯片选型需要注意的问题,重点阐述了电源方案选择、芯片选型和电路的设计。采用DC - DC 稳压器可以达到较高的效率,在DC-DC 稳压器的后边加LowDropOut regulator( LDO) 可以有效地抑制纹波。测试结果表明,该电源的效率在83 %以上,为处理器供电的电源波动在±2 %以内,其他电源的波动在± 3 %以内。

  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

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

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。


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RFID手持机? LDO? LPC2142?

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