Abstract：
Key words :
RFID 手持機在交通運輸、門禁、物流、考勤、貨物管理、身份識別等方面有著十分廣泛的應用。RFID 手持設備對電源的效率、使用壽命、可靠性、體積、成本等方面有較高的要求。因此，設計一個穩定性好、效率高、雜散小的電源對于RFID 手持機有著十分重要的意義。
1 RFID 手持機硬件結構
在基于嵌入式系統的RFID 手持機系統設計中，以微處理器LPC2142 為主控制器，根據系統的需求外擴了SRAM、Flash、SD 卡、鍵盤、LCD 顯示、聲響提示進行數據處理、數據存儲、人機交互以及出錯報警提示，通過USB 接口可以與主機進行數據通信，背光模塊可以為LCD 和鍵盤提供背光，電壓檢測模塊通過核心處理器的A/D 轉換器進行電池電壓的檢測，從而間接檢測出電池的剩余電量，RF 模塊能夠進行讀寫器與標簽之間射頻信號的收發，通過JTAG 接口可以進行程序的調試與下載。電源部分可以為系統中需要電源的各個模塊提供電源，這是本文設計的重點內容。系統硬件結構框圖如圖1 所示。
經設計并計算，該系統需要兩種電壓的電源，一路是3. 3 V 的，為鍵盤、LCD 復位電路、所外擴的存儲器、RF 模塊供電； 另一路是5 V 的，為系統的聲響提示電路以及鍵盤和LCD 的背光電路提供電源。為方便攜帶，系統采用電池供電，欲達到性能指標如下：
（ 1） 電源轉化效率≥80 %;
（ 2） 輸出電流要求： 3. 3 V 輸出電流500 mA; 5 V輸出電流300 mA;
（ 3） 兩路電源電壓的波動均控制在± 5 %以內；
（ 4） 可以通過USB 輸入對電池進行充電。
3 各種電源芯片的特點及選型注意事項
3. 1 各種電源芯片
3. 2 選型注意事項
首先，必須要正確選擇電源芯片類型。要明確輸入電壓和所需要的輸出電壓，進而確定是升壓、降壓還是升/降壓。特別要注意的是，普通線性穩壓器、LDO和Buck（ 或Step-down） 型DC-DC 只能降壓，不能升壓，Boost（ 或Step-up） 型DC-DC 只能升壓不能降壓。
強調這一點的原因是，一些芯片（ LDO 或者降壓型DC-DC） 的手冊給出的輸入電壓范圍和輸出電壓范圍都很寬，很容易誤導沒有經驗的設計者。手冊中的輸出電壓范圍，很多都是針對給出的輸入電壓范圍的，對于特定的輸入電壓，在很多情況下，實際的輸出是達不到給出的輸出電壓的。這一點十分關鍵，決定系統設計的成敗，應引起高度重視。
其次，手持設備的電源設計中，要注意芯片的靜態電流，這一點對系統的待機時間影響很大，好的電源芯片的靜態電流在μA 級，較差的芯片在mA 級，相差上千倍，靜態電流越小，電池的電能耗散就越少，壽命就越長。
再次，注意要從實際的負載來考察效率。電源效率與輸出電流是密切相關的，當輸出電流很小或很大時，效率都會變得較差，需要根據需要的電流來選擇電源芯片，以達到效率最大化。
4 方案選擇及芯片選型
4. 1 方案選擇
方案1: 3. 3 V 輸出采用LDO，5V 輸出采用電荷泵。
方案2: 3. 3 V 輸出采用Buck /Boost 型DC-DC，5V 輸出采用升壓型DC-DC。
由于鋰離子電池的電壓范圍變化較寬，在2. 5V ～ 4. 2 V（ 4. 2 V 是滿充可以達到的電壓） 之間都應該有正常的電源輸出電壓，如果采用3. 3 V 輸出的LDO，由于要滿足輸入輸出的最小壓差的要求，當電池電壓降到3. 4 V 左右時，電源可能達不到輸出3. 3 V 電壓了。采用電荷泵輸出5 V，當輸入輸出電壓比較接近時電荷泵的效率不會很高。采用第二種方案可以最大限度地提高電源轉化效率，延長電池的使用時間。
綜合考慮以上的比較，選擇第二種方案。
4. 2 芯片選型
通過查詢，決定采用TI 的兩個芯片TPS63031 和TPS61240 分別作為3. 3 V 輸出和5 V 輸出的電壓轉換芯片，TPS63031 在輸入電壓在2. 4 ～ 5. 5 V 范圍內，通過升壓或者降壓工作模式輸出高達800 mA 的電流，在節能模式下，當輸出電流在100 ～ 500 mA 之間變化時，效率均在80 % 以上。TPS61240 是可以工作在3. 5 MHz 的升壓DC-DC，輸出電流可以達到450mA，具有PFM/PWM 工作模式，當負載電流在200 mA左右時，可以在電池的電壓范圍內提供80 %以上的效率。
由于微處理器對電源紋波要求較高，所以在3. 3V 輸出的后邊增加了一個LDO，以濾除DC-DC 輸出較大的紋波，提高輸出電壓的穩壓精度。由于要滿足壓差和處理器可靠工作電壓的要求，選輸出電壓比3. 3V 低的TPS78320，可以輸出3. 2 V 電壓，最大可以輸出150 mA 的電流，這個電壓滿足微處理器LPC2142可靠工作電源電壓范圍和電流需求。
此外，該LDO 的靜態電流僅為500 nA，這正符合電池供電的手持系統節能的要求。
5 調試
5. 1 調試步驟
按照原理圖上的參數在印制電路板上焊接好元器件之后，仔細檢查元器件的取值、焊接方向、元器件的極性是否焊接正確，用萬用表仔細檢測元器件的焊接是否存在虛焊，靠得比較近的元器件是否存在不應該存在的短路現象。
1 RFID 手持機硬件結構
在基于嵌入式系統的RFID 手持機系統設計中，以微處理器LPC2142 為主控制器，根據系統的需求外擴了SRAM、Flash、SD 卡、鍵盤、LCD 顯示、聲響提示進行數據處理、數據存儲、人機交互以及出錯報警提示，通過USB 接口可以與主機進行數據通信，背光模塊可以為LCD 和鍵盤提供背光，電壓檢測模塊通過核心處理器的A/D 轉換器進行電池電壓的檢測，從而間接檢測出電池的剩余電量，RF 模塊能夠進行讀寫器與標簽之間射頻信號的收發，通過JTAG 接口可以進行程序的調試與下載。電源部分可以為系統中需要電源的各個模塊提供電源，這是本文設計的重點內容。系統硬件結構框圖如圖1 所示。
經設計并計算，該系統需要兩種電壓的電源，一路是3. 3 V 的，為鍵盤、LCD 復位電路、所外擴的存儲器、RF 模塊供電； 另一路是5 V 的，為系統的聲響提示電路以及鍵盤和LCD 的背光電路提供電源。為方便攜帶，系統采用電池供電，欲達到性能指標如下：
（ 1） 電源轉化效率≥80 %;
（ 2） 輸出電流要求： 3. 3 V 輸出電流500 mA; 5 V輸出電流300 mA;
（ 3） 兩路電源電壓的波動均控制在± 5 %以內；
（ 4） 可以通過USB 輸入對電池進行充電。
3 各種電源芯片的特點及選型注意事項
3. 1 各種電源芯片
3. 2 選型注意事項
首先，必須要正確選擇電源芯片類型。要明確輸入電壓和所需要的輸出電壓，進而確定是升壓、降壓還是升/降壓。特別要注意的是，普通線性穩壓器、LDO和Buck（ 或Step-down） 型DC-DC 只能降壓，不能升壓，Boost（ 或Step-up） 型DC-DC 只能升壓不能降壓。
強調這一點的原因是，一些芯片（ LDO 或者降壓型DC-DC） 的手冊給出的輸入電壓范圍和輸出電壓范圍都很寬，很容易誤導沒有經驗的設計者。手冊中的輸出電壓范圍，很多都是針對給出的輸入電壓范圍的，對于特定的輸入電壓，在很多情況下，實際的輸出是達不到給出的輸出電壓的。這一點十分關鍵，決定系統設計的成敗，應引起高度重視。
其次，手持設備的電源設計中，要注意芯片的靜態電流，這一點對系統的待機時間影響很大，好的電源芯片的靜態電流在μA 級，較差的芯片在mA 級，相差上千倍，靜態電流越小，電池的電能耗散就越少，壽命就越長。
再次，注意要從實際的負載來考察效率。電源效率與輸出電流是密切相關的，當輸出電流很小或很大時，效率都會變得較差，需要根據需要的電流來選擇電源芯片，以達到效率最大化。
4 方案選擇及芯片選型
4. 1 方案選擇
方案1: 3. 3 V 輸出采用LDO，5V 輸出采用電荷泵。
方案2: 3. 3 V 輸出采用Buck /Boost 型DC-DC，5V 輸出采用升壓型DC-DC。
由于鋰離子電池的電壓范圍變化較寬，在2. 5V ～ 4. 2 V（ 4. 2 V 是滿充可以達到的電壓） 之間都應該有正常的電源輸出電壓，如果采用3. 3 V 輸出的LDO，由于要滿足輸入輸出的最小壓差的要求，當電池電壓降到3. 4 V 左右時，電源可能達不到輸出3. 3 V 電壓了。采用電荷泵輸出5 V，當輸入輸出電壓比較接近時電荷泵的效率不會很高。采用第二種方案可以最大限度地提高電源轉化效率，延長電池的使用時間。
綜合考慮以上的比較，選擇第二種方案。
4. 2 芯片選型
通過查詢，決定采用TI 的兩個芯片TPS63031 和TPS61240 分別作為3. 3 V 輸出和5 V 輸出的電壓轉換芯片，TPS63031 在輸入電壓在2. 4 ～ 5. 5 V 范圍內，通過升壓或者降壓工作模式輸出高達800 mA 的電流，在節能模式下，當輸出電流在100 ～ 500 mA 之間變化時，效率均在80 % 以上。TPS61240 是可以工作在3. 5 MHz 的升壓DC-DC，輸出電流可以達到450mA，具有PFM/PWM 工作模式，當負載電流在200 mA左右時，可以在電池的電壓范圍內提供80 %以上的效率。
由于微處理器對電源紋波要求較高，所以在3. 3V 輸出的后邊增加了一個LDO，以濾除DC-DC 輸出較大的紋波，提高輸出電壓的穩壓精度。由于要滿足壓差和處理器可靠工作電壓的要求，選輸出電壓比3. 3V 低的TPS78320，可以輸出3. 2 V 電壓，最大可以輸出150 mA 的電流，這個電壓滿足微處理器LPC2142可靠工作電源電壓范圍和電流需求。
此外，該LDO 的靜態電流僅為500 nA，這正符合電池供電的手持系統節能的要求。
5 調試
5. 1 調試步驟
按照原理圖上的參數在印制電路板上焊接好元器件之后，仔細檢查元器件的取值、焊接方向、元器件的極性是否焊接正確，用萬用表仔細檢測元器件的焊接是否存在虛焊，靠得比較近的元器件是否存在不應該存在的短路現象。
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