嵌入式系統(tǒng)電源設(shè)計(jì)方案

本文探討便攜嵌入式系統(tǒng)電源設(shè)計(jì)的注意事項(xiàng)以及設(shè)計(jì)中應(yīng)遵循的準(zhǔn)則。這些原則對(duì)任何具有強(qiáng)大功能且必須以電池供電的便攜嵌入式系統(tǒng)電源設(shè)計(jì)都是有幫助的。根據(jù)本文描述的構(gòu)造模塊，讀者可以為特定設(shè)計(jì)選擇合適的器件以及設(shè)計(jì)策略。

為電源電路規(guī)定具體的功能和架構(gòu)模塊并非微不足道，這些工作直接影響到電池供電系統(tǒng)的工作時(shí)間。電源系統(tǒng)架構(gòu)會(huì)因嵌入式產(chǎn)品和應(yīng)用領(lǐng)域的不同而各異。下圖是典型便攜嵌入式系統(tǒng)中的電源方案。

下面我們分別定義圖中每個(gè)組成部分的要求。假設(shè)該產(chǎn)品由電池組或外接電源供電。電源路徑控制器的功能是當(dāng)有多個(gè)電源時(shí)，負(fù)責(zé)切換至合適的電源。在某些設(shè)計(jì)中可能需要考慮包括新興的USB和以太網(wǎng)供電（PoE）等供電方式。

電池保護(hù)電路保護(hù)電池免受過壓、欠壓、過熱、過流及其它異常狀況的損壞；專門的電池充電電路應(yīng)在一旦有其它供電來源的情況就對(duì)電池進(jìn)行充電；電量計(jì)電路連續(xù)監(jiān)測(cè)電池電量狀況，并為用戶和電源管理軟件提供電池狀態(tài)信息。

系統(tǒng)可能需要多個(gè)DC-DC功率變換器。例如開關(guān)電源（SMPS）、LDO穩(wěn)壓器、電荷泵等。這些不同的變換器用于產(chǎn)品設(shè)計(jì)內(nèi)所有可能的輸入電源和所需的不同電壓。

數(shù)字接口或硬件按鈕控制器負(fù)責(zé)開啟和關(guān)閉系統(tǒng)――有時(shí)也稱軟啟動(dòng)。在一些最近推出的功率變換器中，數(shù)字接口也可被用來微調(diào)各種變換器產(chǎn)生的輸出電壓。在具有功耗意識(shí)的電源設(shè)計(jì)中，這種微調(diào)是必需的。

高效電源的標(biāo)準(zhǔn)

在嵌入式應(yīng)用中，電源效率并不限于傳統(tǒng)的系統(tǒng)輸出功率與系統(tǒng)輸入功率之比這樣一個(gè)定義。在嵌入式系統(tǒng)，高效電源方案應(yīng)滿足以下標(biāo)準(zhǔn)：1. 采用電池供電時(shí)，設(shè)備可長時(shí)間工作；2. 延長電池壽命（充放電次數(shù)）；3. 限制元器件和電池本身的溫升；4. 提供集成軟件智能，以使效率最大化。

事實(shí)上，沒有單一的指導(dǎo)方針可以最大化電源方案的效率。不過，設(shè)計(jì)人員在開發(fā)電源系統(tǒng)時(shí)會(huì)考慮以下幾點(diǎn)：電池壽命（充放電次數(shù)）取決于電池的充電特性；對(duì)鋰離子電池來說，制造商通常建議遵循最優(yōu)充電電流（恒流模式）和終止/預(yù)充電電流值。當(dāng)設(shè)計(jì)充電器電路時(shí)，必須嚴(yán)格遵守這些規(guī)范。

電池管理

對(duì)于消費(fèi)類電子產(chǎn)品，電池保護(hù)必須被視為基本特性，因?yàn)樗c用戶的人身安全息息相關(guān)。必須采取充分的措施檢測(cè)電池的過壓、欠壓和溫度；必須選用諸如溫變電阻等合適的器件來確保無論在任何異常條件下，都能自動(dòng)限制電流的大?。槐仨毷褂秒娏坑?jì)。除了正常電量檢測(cè)功能外，它還能確保電池安全。大部分電量計(jì)安裝于電池上，可用于檢測(cè)電池溫度、放電電流等。