嵌入式系統(tǒng)中電源管理電路的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

畢建忠，柯賢文

（中國(guó)人民解放軍總參通信訓(xùn)練基地，河北 宣化075100）

1 系統(tǒng)簡(jiǎn)介

電子電路集成工藝的飛速發(fā)展使計(jì)算機(jī)系統(tǒng)體積不斷縮小，性能不斷地提升，同時(shí)移動(dòng)通信技術(shù)的發(fā)展讓這些計(jì)算機(jī)系統(tǒng)更加的便攜，許多便攜式計(jì)算機(jī)開始使用電池供電。高性能運(yùn)算通常伴隨著高功耗，而電池技術(shù)的嚴(yán)重滯后和人們環(huán)保意識(shí)的增加使得性能和功耗之間的問題越發(fā)突出。電源管理技術(shù)的出現(xiàn)緩和了兩者之間的矛盾，通過有效的電源分配降低系統(tǒng)的整體功耗。電源管理技術(shù)在桌上型計(jì)算機(jī)、服務(wù)器上十分常見，然而在嵌入式領(lǐng)域，由于嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)通常是針對(duì)特殊的應(yīng)用場(chǎng)合，電源管理技術(shù)發(fā)展相對(duì)緩慢。本文以一個(gè)完整的嵌入式系統(tǒng)手持終端設(shè)備為例，對(duì)系統(tǒng)的電源管理電路進(jìn)行了設(shè)計(jì)，以ARM為控制中心，內(nèi)部包含256 MBDDR內(nèi)存和512 MBNand Flash存儲(chǔ)器，提供異步串口、USB、Wi Fi、AC97、顯示等電路單元。充電接口包括USB和交流適配器兩種接口，其中交流適配器輸出電壓范圍在5～12 V之間，提供大于1 A的輸出電流。

電源部分主要包括：電池檢測(cè)電路、電池充電電路、電源智能選擇器、DC－DC轉(zhuǎn)換、電源控制電路等。

2 電源管理電路分析

2.1 充電管理芯片介紹

充電管理芯片選用MAXI M的MAX8903 A，基本特性如下：

（1）4.15 V～16 V 的高效 DC－DC輸入范圍，不需要設(shè)計(jì)散熱器，有利于設(shè)計(jì)體積小的設(shè)備；

（2）公用或單獨(dú)的USB和適配器輸入，具有高達(dá)2 A（可調(diào)）的電流上限；

（3）4 MHz開關(guān)頻率允許使用微小的外部元件；

（4）立即導(dǎo)通：在沒有電池或電池過放電時(shí)保持工作；

（5）50 mΩ集成負(fù)載開關(guān)；

（6）高達(dá)16 V的輸入OVP（過壓保護(hù)）；

（7）熱敏電阻監(jiān)測(cè)，熱調(diào)整功能防止過熱；

（8）充電定時(shí)器；

（9）4 mm×4 mm、28引腳TQFN封裝。

2.2 電源管理電路分析

電源管理電路框圖如圖1所示。

系統(tǒng)接成雙輸入外接電源模式（交流適配器和USB）。連接交流適配器時(shí)，芯片通過內(nèi)部高效的DCDC降壓轉(zhuǎn)換器，單獨(dú)或同時(shí)提供系統(tǒng)工作電源和電池充電電源。當(dāng)連接USB外接電源時(shí)，充電電流限制小于500 mA，系統(tǒng)負(fù)載電源大于USB供電能力時(shí)，不足部分由電池電量提供補(bǔ)充。智能電源選擇器在外接電源和電池之間實(shí)現(xiàn)自動(dòng)切換，保證系統(tǒng)的不間斷供電。外接電源檢測(cè)和充電檢測(cè)連接CPU的GPIO端口用于系統(tǒng)監(jiān)控電源狀態(tài)。

圖1 電源管理電路框圖

外接電源以交流適配器為主，不推薦使用USB連接，原因是USB供電能力有限，在系統(tǒng)工作狀態(tài)下，完成充電需要相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間。

系統(tǒng)電源管理部分電路原理圖如圖2所示。

（1）充電電流控制

充電電流受R8P和R9P控制，充電電流的最大值為1 200／R8P，同時(shí)充電電流小于6 000／R9P，其中6 000／R9P直流電源限流設(shè)置。如圖2所示，當(dāng)R8P＝1.5 kΩ、R9P＝3 kΩ時(shí)，直流電源限流為6 000／3 000＝2 A，充電限流1 200／1 500＝0.8 A。如果R8P＝1.2 kΩ、R9P＝5 kΩ，直流電源限流為6 000／5 000＝1.2 A，充電限流1 200／1 200＝1 A。

本系統(tǒng)選用R8P＝1.5 kΩ、R9P＝3 kΩ。

（2）系統(tǒng)電壓切換

當(dāng)DCIN和USB同時(shí)接入系統(tǒng)電源輸入時(shí)，DCIN輸入優(yōu)先，USB輸入自動(dòng)關(guān)閉。DCIN同時(shí)供給電池充電和MBAT（系統(tǒng)供電電源），電池還可以起到減少M(fèi)BAT電壓波動(dòng)的作用。

電池充電完成后，充電電路部分關(guān)閉，DCIN供給MBAT系統(tǒng)電源，MBAT電壓穩(wěn)定在4.4 V。

（3）充電指示

MAX8903管腳DOK是直流電源連接指示輸出，低電平有效，指示燈D2P用于指示直流電源連接狀態(tài)，同時(shí)信號(hào)連接到CPU的GPIO管腳，用于軟件檢測(cè)此狀態(tài)。

MAX8903管腳CHG是正在充電指示輸出，低電平有效，指示燈D3P用于指示充電狀態(tài)，同時(shí)信號(hào)連接到CPU的GPIO管腳，用于軟件檢測(cè)充電狀態(tài)。

圖2 電源管理部分電路原理圖

MAX8903管腳FLT是故障指示輸出，低電平有效，指示燈D1P用于指示故障狀態(tài)，如充電超時(shí)等。

（4）電池溫度保護(hù)

MAX8903管腳T H M到GND連接10 kΩ的負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻，用于檢測(cè)充電過程中電池的溫度變化，當(dāng)電池溫度超過設(shè)定極限溫度時(shí)，暫時(shí)停止給電池充電，直到電池溫度下降到安全溫度范圍。

（5）DC－DC降壓轉(zhuǎn)換器電感選擇

DC－DC降壓轉(zhuǎn)換器采用開關(guān)頻率值為4 MHz的控制架構(gòu)，通過調(diào)整占空比實(shí)現(xiàn)降壓轉(zhuǎn)換。推薦的電感選擇如表1。

表1 DC－DC降壓轉(zhuǎn)換器電感推薦值

本系統(tǒng)充電電流在不到1 A附近，輸入電壓在12 V左右，選擇電感2.2μH。

（6）PCB布局

PCB布局（局部）如圖3所示。

圖3 PCB布局（局部）

系統(tǒng)電路PCB布局為十層板設(shè)計(jì)，圖中只顯示頂層PCB布線。PCB布局原則：大電流部分采用短而寬的布線連接；裸焊盤采用多個(gè)過孔連接散熱地，以利于散熱；電流設(shè)置電阻直接接地，減少電流偏差；減小功率電流對(duì)穩(wěn)壓部分的影響等。

3 性能測(cè)試數(shù)據(jù)

電源管理電路主要指標(biāo)：充電效率、輸出工作電壓、充電電流等，電路測(cè)試連接如圖4所示。

3.1 外接電源電壓固定

圖4 電源管理電路測(cè)試連接圖

外接電源電壓固定時(shí)，充電電流和電池電壓的數(shù)據(jù)關(guān)系測(cè)試數(shù)據(jù)如表3。圖5為測(cè)試數(shù)據(jù)關(guān)系示意圖。

表3 外接電源電壓固定時(shí)的測(cè)試數(shù)據(jù)

圖5 外接電源電壓固定時(shí)，充電電流和電池電壓的關(guān)系

3.2 外接電源電壓變化

外接電源電壓的變化對(duì)應(yīng)于固定工作電流，其輸入電流和電源轉(zhuǎn)換效率的測(cè)試數(shù)據(jù)見表4。圖6為測(cè)試數(shù)據(jù)關(guān)系示意圖。

表4 外接電源電壓變化時(shí)的測(cè)試數(shù)據(jù)

圖6 外接電源電壓變化時(shí)的輸入電流和電源轉(zhuǎn)換效率的關(guān)系

以上測(cè)試數(shù)據(jù)反映系統(tǒng)正常工作需要的外接電源需求。

4 結(jié) 論

在嵌入式系統(tǒng)中，電源管理單元是系統(tǒng)必需的重要組成部分。在本系統(tǒng)中，以MAX8903為核心的電源管理電路單元以其輸入范圍寬、體積緊湊、外圍電路簡(jiǎn)單、工作效率較高等優(yōu)勢(shì)，很好地實(shí)現(xiàn)了電源管理單元的功能需求。

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