基于SP6641的手持设备电源设计

基于SP6641的手持设备电源设计

摘要：根据心理测评数据采集手持设备的低功耗要求，采用SP6641设计高效、升压DC／DC转换电源电路。详细介绍电路设计方案和外围电路元件的选择，实现手持设备使用2节普通碱性电池升压供电。这种电源电路具有很低的启动电压、超低静态电流、高效率电压转换的特点，可用于单或双电池供电的手持设备应用。
关键词：SP6641；电源；电压转换；手持设备

1 引言
    目前，由电池供电的各种电子产品及便携式仪器仪表更多倾向于低电压、低功耗、微型化设计，其电源管理系统都需DC／DC转换器。此转换器的核心是输出精度、转换效率、启动电压等。这里介绍一款结构简单、体积小、效率高、功耗低的升压型PFM控制DC／DC转换器-SP6641，并详细给出该器件在心理测评手持数据采集系统电源管理中的应用。

2 SP6641器件简介
    SP6641是一款手持式低功耗-低压-升压型DC／DC转换器，能在输入电压动态范围较大时为单片机系统提供稳定的直流电源，其静态电流极低，电池转换效率高，性价比高，多用于电池供电设备SP6641的静态电流为10μA，有1个0．3Ω的N通道充电开关，最低启动电压0．9V，并具有0．33 A或1．0A感应电流限制模块。SP6641器件采用5引脚SOT-23贴片封装形式，其引脚配置如图1所示。

2．1 性能特点
    该器件的性能特点如下：极低静态电流为10μA；宽输入电压范围为0．9~4．5 V；1．3 V输入时，IOUT可达90 mA(SP6641A-3．3 V)；2．6 V输入时，IOUT可达500 mA(SP6641B-3．3 V)；2．0 V输入时，IOUT可达100 mA(SP6641A-5．0 V)；3．3 V输入时，IOUT可达500 mA(SP6641B-5．0 V)；固定输出电压为3．3 V或5．0 V；电源转换效率高达87％；0．3Ω NFET RDSon；O．33 A感应电流保护模块(SP6641A)；1 A感应电流保护模块(SP6641B)；逻辑关断控制；SOT-23-5封装。
2．2 使用方式
    SP6641不同版本具有不同的功率和固定的输出电压(3．3 V、5．O v)．在应用时可根据实际使用情况加以选择。SP6641提供两种不同功率的版本型号，如SP6641A和SP6641B，这两者的引脚是一样的，但所提供的最大输出电流不一样，外围元件也不同。输入电压下降时，输出电流也下降，VBATT为1.3 V时输出电流分别为90 mA(SP6641A)，200 mA(SP6641B)。当需要不同的输出电源电压时．只需选择不同后缀的版本型号。图2为SP6641B电源电路原理图。

3 SP6641B在手持设备中的应用
3．1 手持设备设计方案
    在设计时，首先根据需要输出的固定电压、最大工作电流确定相应的电源器件。再根据电源器件确定电源电路和外围元件。手持设备采用低功耗型单片机(MCU)MSP430F123A作为主控制器，扫描由0～9数字组成的键盘响应，然后通过LSD-RF1100-A433无线模块实现数据的无线传输，该手持设备的原理结构框图如图3所示。

   LSD-RF1100-A433无线模块是基于TI公司的CC1100的射频模块，该模块工作电压为3～3．6 V，工作电流小于30 mA。单片机MSP430F123的工作电压为1．8～3．6 V，工作电流小于2 mA。考虑到实际使用的方便性，采用普通2节5号碱性电池作为供电电源，为保证系统正常工作，需要设计提供稳定的3．3 V电源电路，供电电流不小于50 mA，并且在电池电压为1．5 V时仍能保证3．3 V稳定输出。为延长手持设备的工作时间，这里采用具有升压功能的SP6641B设计电源电路，为手持设备提供较长时间稳定的3．3 V电源。
3．2 电源器件选型
    由于手持设备只需一个3．3 V的固定电压，最大工作电流约50 mA，选用SP6641B作为电源器件。其在VBATT=1．3 V时，输出电流200 mA。如果要求电源具备较低电压纹波，可增加一级滤波电路。
3．3 外围电路元件选型
    SP6641B的数据手册提供所需外围电路元件参数：C1=C2=100μF (POSCAP)，L1=10μH (CDRH5D2B)，VD1为ZHCS2000，C3=1μF陶瓷电容。电源器件输出电压的稳定性既取决于电源器件的质量，同时也和外围电路元件的合理取值和质量有直接关系。外部元件数值的选择主要由输出电压、最大负载电流和最大最小输入电压决定。首先确定电感值，然后依次选择二极管、电容等值。

    (1)电感的选择 电感是决定电源系统稳定度的主要因素。电感主要参数包括：电感量峰值电流和内阻。电感线圈的电阻应小于0．5Ω，为减小噪音辐射，应选用屏蔽电感。电感L1是整个电路的储能元件，必须选择适当的功率元件，因此，电感选用德国Wiirth Elektronik公司生产的，型号为WE-PD系列带屏蔽功率电感，其IDC=1．83 A，RDC=0．072Ω。这时电源电路的转换电压稳定、转换效率高，在输入电压低于1．2 V时，仍提供稳定的3．3 V输出。
    (2)二极管的选择 工作中，二极管VD1的正向导通压降对开关电源的效率影响很大，为提高转换器效率．在保证二极管正常工作的同时要选用正向导通压降小，反向恢复时间短的肖特基二极管，还应考虑其输出电压和峰值开关电流。因此，这里选取1N4148。
    (3)电容的选择 设计时应当依据等效串联电阻(ESR)最小的原则选取输出滤波电容．同时应使电容尽量靠近SP6641B。因此，这里选取元件参数：C1、C2分别为100μF、330μF钽电容，C3为1μF的陶瓷电容。在调试中，如果省略电容C3，电源电压会非常不稳定，因此，在设计时，应将其与SP6641B的尽可能靠近放置。
3．4 测试结果
    经测试，手持设备在动态时(无线模块处于发射和接收状态)的电流仅31．5 mA；静态时的电流仅20μA。
    (1)2节碱性电池输入 采用已用的碱性电池，测试不同输入电压情况下的电源稳压值，由于碱性电池电压的离散性，因此只需测量几个离散电压值即可。当Vin分别为3．1 V、2．96 V、2．83 V、2．66 V、2．4 V、2．14 V时，Vout为3．3 V，系统工作正常；但当Vin为2．14 V，静态时Vout为3．3 V，而动态时，Vin下降为1．7 V。
    (2)1节碱性电池输入 当Vin>1．34 V时，Vout=3．3 V，系统工作正常；当Vin=1．2 V或1．07 V时，Vout为3．3 V，系统不能正常工作，测试发现Vin在系统工作时下降到0．8 V、0．6 V。
    由上述测试结果表明：SP6641最低启动电压可达0．9 V，但若使用碱性电池供电，电池自身将消耗更多能量，使用单节电池供电将影响电源的使用时间，而2节碱性电池供电影响会小一些。

4 结束语
    基于SP6641B手持设备电源设计应用效果良好。由于SP6641器件体积小，输出电压稳定，转换效率高，可方便地在节能模式下工作，且具有高性价比，因此在便携式电池供电设备领域具有广阔的应用前景。