嵌入式系統(tǒng)電源設(shè)計方案

本文探討便攜嵌入式系統(tǒng)電源設(shè)計的注意事項以及設(shè)計中應遵循的準則。這些原則對任何具有強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)計選擇合適的器件以及設(shè)計策略。

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)的工作時間。電源系統(tǒng)架構(gòu)會因嵌入式產(chǎn)品和應用領(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有多個電源時，負責切換至合適的電源。在某些設(shè)計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。

電池保護電路保護電池免受過壓、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在一旦有其它供電來源的情況就對電池進行充電；電量計電路連續(xù)監(jiān)測電池電量狀況，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責開啟和關(guān)閉系統(tǒng)――有時也稱軟啟動。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。在具有功耗意識的電源設(shè)計中，這種微調(diào)是必需的。

高效電源的標準

在嵌入式應用中，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定義。在嵌入式系統(tǒng)，高效電源方案應滿足以下標準：1. 采用電池供電時，設(shè)備可長時間工作；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。

事實上，沒有單一的指導方針可以最大化電源方案的效率。不過，設(shè)計人員在開發(fā)電源系統(tǒng)時會考慮以下幾點：電池壽命（充放電次數(shù)）取決于電池的充電特性；對鋰離子電池來說，制造商通常建議遵循最優(yōu)充電電流（恒流模式）和終止/預充電電流值。當設(shè)計充電器電路時，必須嚴格遵守這些規(guī)范。

電池管理

對于消費類電子產(chǎn)品，電池保護必須被視為基本特性，因為它與用戶的人身安全息息相關(guān)。必須采取充分的措施檢測電池的過壓、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，都能自動限制電流的大小；必須使用電量計。除了正常電量檢測功能外，它還能確保電池安全。大部分電量計安裝于電池上，可用于檢測電池溫度、放電電流等。