基于SP6641的手持設備電源設計

摘要：根據心理測評數據采集手持設備的低功耗要求，采用SP6641設計高效、升壓DC／DC轉換電源電路。詳細介紹電路設計方案和外圍電路元件的選擇，實現手持設備使用2節普通堿性電池升壓供電。這種電源電路具有很低的啟動電壓、超低靜態電流、高效率電壓轉換的特點，可用于單或雙電池供電的手持設備應用。
關鍵詞：SP6641；電源；電壓轉換；手持設備

1 引言
??? 目前，由電池供電的各種電子產品及便攜式儀器儀表更多傾向于低電壓、低功耗、微型化設計，其電源管理系統都需DC／DC轉換器。此轉換器的核心是輸出精度、轉換效率、啟動電壓等。這里介紹一款結構簡單、體積小、效率高、功耗低的升壓型PFM控制DC／DC轉換器-SP6641，并詳細給出該器件在心理測評手持數據采集系統電源管理中的應用。

2 SP6641器件簡介
??? SP6641是一款手持式低功耗-低壓-升壓型DC／DC轉換器，能在輸入電壓動態范圍較大時為單片機系統提供穩定的直流電源，其靜態電流極低，電池轉換效率高，性價比高，多用于電池供電設備SP6641的靜態電流為10μA，有1個0．3Ω的N通道充電開關，最低啟動電壓0．9V，并具有0．33 A或1．0A感應電流限制模塊。SP6641器件采用5引腳SOT-23貼片封裝形式，其引腳配置如圖1所示。

2．1 性能特點
??? 該器件的性能特點如下：極低靜態電流為10μA；寬輸入電壓范圍為0．9~4．5 V；1．3 V輸入時，IOUT可達90 mA(SP6641A-3．3 V)；2．6 V輸入時，IOUT可達500 mA(SP6641B-3．3 V)；2．0 V輸入時，IOUT可達100 mA(SP6641A-5．0 V)；3．3 V輸入時，IOUT可達500 mA(SP6641B-5．0 V)；固定輸出電壓為3．3 V或5．0 V；電源轉換效率高達87％；0．3Ω NFET RDSon；O．33 A感應電流保護模塊(SP6641A)；1 A感應電流保護模塊(SP6641B)；邏輯關斷控制；SOT-23-5封裝。
2．2 使用方式
??? SP6641不同版本具有不同的功率和固定的輸出電壓(3．3 V、5．O v)．在應用時可根據實際使用情況加以選擇。SP6641提供兩種不同功率的版本型號，如SP6641A和SP6641B，這兩者的引腳是一樣的，但所提供的最大輸出電流不一樣，外圍元件也不同。輸入電壓下降時，輸出電流也下降，VBATT為1.3 V時輸出電流分別為90 mA(SP6641A)，200 mA(SP6641B)。當需要不同的輸出電源電壓時．只需選擇不同后綴的版本型號。圖2為SP6641B電源電路原理圖。

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3 SP6641B在手持設備中的應用
3．1 手持設備設計方案
??? 在設計時，首先根據需要輸出的固定電壓、最大工作電流確定相應的電源器件。再根據電源器件確定電源電路和外圍元件。手持設備采用低功耗型單片機(MCU)MSP430F123A作為主控制器，掃描由0～9數字組成的鍵盤響應，然后通過LSD-RF1100-A433無線模塊實現數據的無線傳輸，該手持設備的原理結構框圖如圖3所示。

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?? LSD-RF1100-A433無線模塊是基于TI公司的CC1100的射頻模塊，該模塊工作電壓為3～3．6 V，工作電流小于30 mA。單片機MSP430F123的工作電壓為1．8～3．6 V，工作電流小于2 mA。考慮到實際使用的方便性，采用普通2節5號堿性電池作為供電電源，為保證系統正常工作，需要設計提供穩定的3．3 V電源電路，供電電流不小于50 mA，并且在電池電壓為1．5 V時仍能保證3．3 V穩定輸出。為延長手持設備的工作時間，這里采用具有升壓功能的SP6641B設計電源電路，為手持設備提供較長時間穩定的3．3 V電源。
3．2 電源器件選型
??? 由于手持設備只需一個3．3 V的固定電壓，最大工作電流約50 mA，選用SP6641B作為電源器件。其在VBATT=1．3 V時，輸出電流200 mA。如果要求電源具備較低電壓紋波，可增加一級濾波電路。
3．3 外圍電路元件選型
??? SP6641B的數據手冊提供所需外圍電路元件參數：C1=C2=100μF (POSCAP)，L1=10μH (CDRH5D2B)，VD1為ZHCS2000，C3=1μF陶瓷電容。電源器件輸出電壓的穩定性既取決于電源器件的質量，同時也和外圍電路元件的合理取值和質量有直接關系。外部元件數值的選擇主要由輸出電壓、最大負載電流和最大最小輸入電壓決定。首先確定電感值，然后依次選擇二極管、電容等值。

??? (1)電感的選擇 電感是決定電源系統穩定度的主要因素。電感主要參數包括：電感量峰值電流和內阻。電感線圈的電阻應小于0．5Ω，為減小噪音輻射，應選用屏蔽電感。電感L1是整個電路的儲能元件，必須選擇適當的功率元件，因此，電感選用德國Wiirth Elektronik公司生產的，型號為WE-PD系列帶屏蔽功率電感，其IDC=1．83 A，RDC=0．072Ω。這時電源電路的轉換電壓穩定、轉換效率高，在輸入電壓低于1．2 V時，仍提供穩定的3．3 V輸出。
??? (2)二極管的選擇 工作中，二極管VD1的正向導通壓降對開關電源的效率影響很大，為提高轉換器效率．在保證二極管正常工作的同時要選用正向導通壓降小，反向恢復時間短的肖特基二極管，還應考慮其輸出電壓和峰值開關電流。因此，這里選取1N4148。
??? (3)電容的選擇 設計時應當依據等效串聯電阻(ESR)最小的原則選取輸出濾波電容．同時應使電容盡量靠近SP6641B。因此，這里選取元件參數：C1、C2分別為100μF、330μF鉭電容，C3為1μF的陶瓷電容。在調試中，如果省略電容C3，電源電壓會非常不穩定，因此，在設計時，應將其與SP6641B的盡可能靠近放置。
3．4 測試結果
??? 經測試，手持設備在動態時(無線模塊處于發射和接收狀態)的電流僅31．5 mA；靜態時的電流僅20μA。
??? (1)2節堿性電池輸入 采用已用的堿性電池，測試不同輸入電壓情況下的電源穩壓值，由于堿性電池電壓的離散性，因此只需測量幾個離散電壓值即可。當Vin分別為3．1 V、2．96 V、2．83 V、2．66 V、2．4 V、2．14 V時，Vout為3．3 V，系統工作正常；但當Vin為2．14 V，靜態時Vout為3．3 V，而動態時，Vin下降為1．7 V。
??? (2)1節堿性電池輸入 當Vin>1．34 V時，Vout=3．3 V，系統工作正常；當Vin=1．2 V或1．07 V時，Vout為3．3 V，系統不能正常工作，測試發現Vin在系統工作時下降到0．8 V、0．6 V。
??? 由上述測試結果表明：SP6641最低啟動電壓可達0．9 V，但若使用堿性電池供電，電池自身將消耗更多能量，使用單節電池供電將影響電源的使用時間，而2節堿性電池供電影響會小一些。

4 結束語
??? 基于SP6641B手持設備電源設計應用效果良好。由于SP6641器件體積小，輸出電壓穩定，轉換效率高，可方便地在節能模式下工作，且具有高性價比，因此在便攜式電池供電設備領域具有廣闊的應用前景。