（电路与系统专业论文）基于labview的手持设备电源自动测试技术研究.pdf

摘要 摘要 为满足手持设备日益增加的多功能与高性能的要求，电源网络的设计和测试日趋复杂。以往使用专 用设备测试电源，一方面，由于供电参数众多，需要较多价格昂贵的设备，导致测试成本较高：另一方 面，采用模拟方式进行测试，在测试精度上有所欠缺。传统测试方法还具有设备自动化程度低，手工记 录测试结果，记录结果难于进行统计分析的缺点。因此需要研究快速、精确、方便的电源自动测试方法。 本论文以实现手持g p s 导航仪电源系统自动测试为设计目标。详细阐述了开关电源测试项目的测 试电路并分析了自动测试的仪器需求。通过建立二端口网络模型简化测试电路，设计了使用数据采集卡 的测试方案。系统软件使用l a b v i e w 语言开发，具备测试电源、保存测试文件、打开测试文件和显示 测试结果的功能；根据测试项目设计了测试流程程序。对p c 端含有误差的采样数据进行3 s 准则判断 和数值滤波处理，以减小或消除这些误差。同步数据采集的实现同时依靠软件延时和硬件边沿触发功能， 简化了硬件设计，并从进程执行和流程控制层面推导了延时公式。以往的电流测试认为：类似三角波输 入电流近似是直流。本文采用一个具有低串联等效电阻( e s r ) 的旁路电容，使三角波平滑为精确的直 流波形来实现精确电流测试。 使用本论文的自动测试方案对手持g p s 导航仪电源芯片o c p 2 1 5 0 进行测试，自动测试结果与其 d a t a s h e e t 提供的数据相吻合。电源芯片o c p 2 1 5 0 的自动测试时间由手动测试的5 5 分钟减少到5 分钟， 提高1 1 倍；g p s 导航仪的自动测试时间由手动测试的3 分钟减少到2 分钟，测试效率提高3 3 。自动 测试精度由手动测试的2 0 m v 提高到2 m v ，精度提高1 0 倍。自动测试系统比手动测试价格更低，且具 有扩展性。 关键词：手持设备、电源、自动测试、l a b v i e w 、数据采集 东南大学硕士学位论文 a b s t r a c t t om e e tt h eg r o w i n gm u l t i f u n c t i o na n dh i g hp e r f o r m a n c er e q u i r e m e n t s 。t h ed e s i g na n d t e s t i n go ft h ep o w e rs u p p l ys y s t e mo nh a n d l e dd e v i c e sa r ei n c r e a s i n g l yc o m p l e x a sm a n y h a n d h e l dd e v i c e sp o w e r e dp a r a m e t e r s ，i nt h ep a s tt h et e s te q u i p m e n tw a se x p e n s i v e 。o nt h eo t h e r h a n d ，t h ea c c u r a c yo ft h et r a d i t i o n a lt e s td a t aw a sl o ww h i c hw a sg o tt h r o u g ha n a l o gs i g n a l d u e t ot h el o wd e g r e eo fa u t o m a t i o ne q u i p m e n t , m a n u a lr e c o r d so ft e s tr e s u l t s n oa n a l y s i sp r o c e s s i n g a n dr e c o r d i n gr e s u l t sd i f f i c u l tf o rs t a t i s t i c a la n a l y s i s ，t h en e wm e t h o do fv i r t u a li n s t r u m e n tw a s d e v e l o p e d p o w e rs u p p l ya u t o t e s ts y s t e mo fh a n d l e de q u i p m e n t sw h i c hb a s e do ns w i t c h i n gp o w e r s u p p l yi st h eg o a lo ft h i st h e s i s n l et e s tc i r c u i ta n dr e q u i r e de q u i p m e n to fe v e r yt e s ti t e m sw e r e e l a b o r a t e d ，a n dt h et e s t i n gc i r c u i tw a ss i m p l i f i e db yu s i n gt w o p o r tn e t w o r km o d e lt h e nt e s t i n g s c h e m eb a s e do nd a t aa c q u i s i t i o nc a r dw a sp r o p o s e d t h er e a l i z a t i o no ft r a n s i e n ti n p u tp o w e r s u p p l yu s i n gl o wi m p e d a n c es w i t c hw e r ee l a b o r a t e d t h es o f t w a r es y s t e mw h i c hh a sf u n c t i o n so f t e s t ，d i s p l a y , o p e na n ds a v et e s t i n gf i l e sw a sd e v e l o p e db yu s i n gl a b v i e wl a n g u a g e ，t e s t i n g f l o wp r o g r a m ew a sd e s i g e n e da c c o r d i n gt ot e s ti t e r n s t e s t i n ge r r o r se x i s t e di ns a m p l i n gd a t a w e r er e d u c e do re l i m i n a t e di nc o m p u t e rb yu s i n g3sr u l ea n dd a t af i l t e rt h e o r y s y n c h r o n o u sd a t a a c q u i s i t i o nd e p e n d e do ns o f t w a r ed e l a ya n dh a r d w a r et r i g g e rw a sc o m p l e t e d ，a n dd e l a yf o r m u l a w a sc o n c l u d e di np r o c e s se x e c u t ea n df l o wc o n t r o lw a y i nt h ep a s t t h ei n p u tc u r r e n to fs w i t c h p o w e rs u p p l yw h i c hi nf a c tw a sc o m p l i c a t e dw a v e f o r i l lw a st a k e nf o rt h ed i r e c tc u r r e n t t o d e t e c tc u r r e n tm o r ea c c u r a t e ，t h el o we s r c a p a c i t a n c ew a si o i n e di nt e s tc u r r e n t ，m a k i n gi 1 1 p u t c u r r e n ta p p r o x i m a t ed i r e c tc u r r e n t t h et e s td a t ao fp o w e rc h i po c p 215 0o fh a n d h e l dg p sf g l o b a lp o s i t i o ns y s t e m ) n a v i g a t i o n w h i c ht e s t e db yn e wm e t h o dw a sa c c o r dw i t ht h a to fd a t a s h e e t a n dt h ed a t aa l s oi n d i c a t e dt h a t 5 5m i n u t e st e s tt i m eo fm a n u a lt e s th a sb e e nr e d u c e dt o5m i n u t e sa n dt h ee 伍c i e n c yw a s i n c r e a s e d1 1 f o l d t h eg p sn a v i g a t i o nt e s tt i m ew a sr e d u c e df r o m3m i n u t e st o2m i n u t e sa n d t h ee f f i c i e n c yi m p r o v e d3 3p e r c e n t 1 1 1 ep r e c i s i o no fa u t o r e s ts y s t e mi m p r o v e df r o m2 0 m vt o 2 m va n dt h ea c c u r a c yw a si n c r e a s e d10 一f o l d n 圮n e wt e s ts y s t e mi s i n e x p e n s i v ea n d e x p a n s i b i l i t y k e y w o r d s ：h a n d h e l dd e v i c e s ，p o w e r , a u t o - t e s ts y s t e m ，l a b v i e w , d a t aa c q u i s i t i o n ( d a q ) 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或 撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材 料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了 谢意。 研究生签名： 聋玉i 妄le l 期：出汐乞 划 期：坐垫汐以 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的复 印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和 纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布 ( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研究生院办 理。 研究生签名：弋刍_ 导师签名： e l 期：方。眨沙 课题背景 绪论 电源测试是电源设计必不可少的工具和手段，它并不是游离于电源设计的。供电系统在手持设备 设计中占有十分重要的地位，是其他功能设备的重要保障。用电设备要求较高的供电质量，对电压调制 精度、电压纹波容限、电压波形、电压响应等参数均有一定的技术标准。电源芯片生产商需要证明其产 品符合客户的规范，这需要通过设计验证测试来实现。电源测试的目的不是为了修复残次产品，电源系 统测试的真正目的应该是通过发现并纠正设计、调试中的错误；从而避免生产阶段出现残次品。 测试常常被认为是一项不会增值的工作，虽然测试是提高生产流程各阶段质量水平的重要手段。这 一状况使测试面临着极大的压力，它们必须确保测试过程稳固、全面、快捷且性价比较高。 测试系统必须具有高性价比。测试系统设计员必须比较性能和成本。一个测试系统的成本不仅仅是 其购买价格。测试系统会产生其它明显的短期成本，如设备、培训、维护、升级、支持以及连接等。测 试系统的长期成本较不明显，它取决于开发时间、灵活性、可量测性、可再利用性、模块性和便携性等 参数。这些因素与测试系统中使用的软件和硬件直接相关。 以往对这些参数都是用各种专用的测量设备进行测试，但是由于手持设备供电参数众多，需要较多 价格昂贵的专用设各，这就给供电系统的测试带来高昂的成本：另一方面，由于各种专用设各人多采用 模拟方式进行测试，在测试精度上也会难免有所欠缺。而且传统设备自动化程度低，手工记录测试结果。 没有分析处理功能，记录结果难于进行统计分析。除了以上这几点，测试系统设计员还必须在有限的预 算和越来越短的时间内完成设计。开发新产品越来越难，产品的生命周期越来越短，新的规则、技术和 客户需求不断涌现。面临这一切，测试系统设计员必须找到一种使其开发的系统既可满足当前需求又可 满足未来需求的方法。 为了解决这些矛盾，需要研制一种新型的通用测试技术：虚拟仪器的方法是充分利用计算机技术， 并可由用户自己设计、自己定义的仪器1 1j 。它能够将高精度的数据采集设备、计算机和强大的软件结合 起来。对供电系统的各个技术参数进行数字式测量，对所测得数据进行各种计算分析，并将测量分析的 结果直观地显示在计算机输出设备( 显示输出、打印输出) 上【l 儿2 | 。这样就能够使用户抛开多种传统的测 试设备和繁杂的测试手段，只要具备统一的参数标准、统一的计算方法、高精度的数据采集卡和通用 p c 机，就可以构成一套价格低廉的适用于各种不同型号产品的高精度通用测试技术。 虚拟仪器通常由计算机、仪器模块和软件三部分组成。仪器模块的功能主要靠软件实现，通过编程 在显示屏上构成波形发生器、示波器或数字万用表等传统仪器的软面板，而波形发生器发生的波形、频 率、占空比、幅值、偏置等，或者示波器的测量通道、标尺比例、时基、极性、触发信号( 沿口、电平、 类型) 等都可用鼠标或按键进行设置，如同常规仪器一样使用，不过，虚拟仪器具有更强的分析处 理能力。随着计算机技术和虚拟仪器技术的发展，用户只能使用制造商提供的仪器功能的传统观念正在 改变，而用户自己设计、定义的范围进一步扩大；同一台虚拟仪器可在更多场合应用，比如既可在电量 测量中应用，又可在振动、运动和图像等非电量测量中应用，甚至在网络测控中应用f 2 j 1 3 ”l 。 软件技术是虚拟仪器的核心。常用的仪器用开发软件有l a b v i e w 、l a b w i n d o w s c v i 、v e e 等等。 这些软件已相当完善，而且还在升级、提高。以l a b v i e w 为例，这是基于图形化编程g 语言的开发环境， 用于如g p i b 、u s b 、p x i 、p c i 仪器及数据采集卡等硬件的系统构成，而且，具有很强的分析处理能力： 能将智能化测量与控制技术进一步扩展到了i n t e r n e t 网。 国内外研究现状 为电源测试关注的不仅是电源芯片和电源系统，而且要考虑测试激励的非理想性。寄生电感效应和 谐振特性对电源测试产生直接的影响【5 】1 6 j 。相比于电源设计理论和数字逻辑测试，电源自动测试引起关 注的时间较晚，相应的理论还不成熟。目前，与电源系统自动测试领域相关的一些问题受到了国内外学 者广泛的研究和关注。对于电源测试系统的设计，归纳起来，基本方法主要有三种：1 ) 自动测试设备 东南大学硕士学位论文 ( a t e ) 的方法2 ) 智能仪器的方法3 ) 虚拟仪器的方法。 a t e 的方法：国外的研究开展得较早，商用公司应用研究人员的成果，聘请计算机软件人员开发各 种商用软件，目前，比较好的产品有a u t o t e s t 公司推出的电源测试系统系列等。 智能仪器方法：是将人工智能的理论、方法和技术应用于测试的新方法，使其具有类似人智能特性 或功能的仪器1 7 儿引。智能仪器方法是开发专用测试设备为目的。它针对芯片的测试环境，进行相应的硬 件开发，并在硬件的基础上，开发应用程序和人机界面。它具有一定的适用性。对电源芯片测试具有一 定的通用性，但对一些特定测试项目，无法提供支持。目前市场上，智能仪器设备已经兴起。但是，它 开发周期长，价格昂贵。应用上具有局限性。 虚拟仪器方法：是将仪器和计算机强大的运算功能相结合的方法。取代了许多笨重的硬件，内部结 构和前面板大为改观，节省许多开关和调节旋钮。微处理器通过键盘或遥控接口接受命令和信号，并用 来控制仪器的运行，执行常规测量，对数据进行分析和处理，数字显示或传送，而传统的模拟方法是很 难做到的。 目前，国内外对电源系统的测试主要集中在：1 ) 电源芯片的自动测试技术研究。2 ) 专用电源测试 系统的研究，主要集中于雷达，飞机等某一专用电源系统。3 ) 电源某一特定参数的测试研究；而手持 设备的电源测试研究属于第2 类研究。因为手持设备电源属于小电流小电压小功率电路，没有引起足够 的重视，在国内外较少研究。 论文的工作内容和意义 本论文的主要工作是在手持设备电源系统的自动测试技术进行设计和研究，重点在于对测试项目进 行了分析，提出了测试方案，并对影响电源测试精确性的因素和寄生参数作了分析说明。随着计算机技 术的高速发展，将计算机应用到物理实验中，实现数据的自动采集和处理以提高实验的智能化程度将势 在必行。本文介绍的方法具有普遍性，可应用于其它信号处理系统中。 课题以一款高性能的便携式g p s 导航仪为研究对象，利用设计的虚拟仪器完成g p s 导航仪的电源系 统的自动测试。课题完成的意义在于对手持设备的电源系统的硬件器件选型，电路设计和测试给出一种 全面考虑的方法，实现在产品硬件设计阶段达到性能与成本间较佳的综合效益。 具体的研究工作包括以下几点： 分析在手持设备电源中的各种电压变换技术及特点，着重分析了在系统主电源中应用越来越广 泛的开关电感式电压变换电路的工作原理及与影响电压测试的电路中的各相关因素。 通过查阅资料与文献，对电源测试理论作了简单整理与归纳。 分析课题所选用的测试方案，并对实际中电源测试系统各组件建立模型，优化完成电源测试系 统设计中的重要内容数据采集和误差处理。 通过在静态和动态对电路性能的数据实测，对设计方法进行验证。 论文的组织结构 本论文主要围绕手持g p s 导航仪电源系统的自动测试设计。从手持设备的电源分析到测试电路的 简化，从自动测试方案的提出道测试结果的分析对比。论文总体可以分为如下五章。 第一章综述手持设备的电源系统和电源管理技术。 第二章分析了手持设备电源系统的测试项目，并提出电源自动测试系统的方案。 第三章详细讲述了电源自动测试系统的软件实现。 第四章论述测试系统的数据处理技术，以提高测试精度。 第五章是测试系统的功能评测和对比。 2 第一章手持设备的电源系统 第一章手持设备的电源系统 移动和手持设备在各种不同商业环境中的应用已越来越广泛，它们为访问本地信息和网络信息以 及收集、处理和转交现场数据提供了更大便利。手持设备是袖珍的计算设备，因为通过它可以随时随地 访问获得各种信息，这一类设备很快变得流行。和诸如手提电脑和智能手机之类的移动计算设备一起， p d a ( p e r s o n a ld i g i t a la s s i s t a n t ) 代表了新的计算领域并使得桌面电脑在日常用户那里日益失宠。相对 于传统p c ，手持设备通常采用手写笔作为输入设备，存储卡作为外部存储介质。在无线传输方面，大 多数p d a 具有红外和蓝牙接口，以保证无线传输的便利性。许多p d a 还能够具备w i f i ( w i r e l e s sf i d e l i 锣) 连接以及g p s ( g l o b a lp o s i t i o n i n gs y s t e m ) 全球卫星定位系统，f m ( f r e q u e n c ym o d u l a t i o n ) 调频收音机， s i m ( s u b s c r i b e ri d e n t i t ym o d u l e ) 手机卡等。 1 1 手持设备的电源结构 本论文所基于的硬件平台为手持设备一款手持式g p s 导航设备，作为一种高科技产品，在具备传 统的p d a 所具有的个人信息管理、电子计算、数据存储、电子文档阅读、音乐播放、网络通信等功能 基础上，更具特色的应用是在功能日渐强大的嵌入式处理器平台和操作系统基础上，加上g p s 定位功 能模块和先进的导航软件系统，可以通过接收卫星信号，配合电子地图数据，随时掌握使用者自己所在 的方位信息，实行精确的全球定位和导航功能。g p s 手持导航仪结构如图1 1 ：采用高性能的嵌入式处 理器g p s 模块，并配置3 5 英寸t f t l c d 、触摸屏、s d 卡插座以及按键，提供音频输出，并内置有平 板天线及外部g p s 天线接口。系统电源可以是外部+ 5 v 直流电源，无外部电源情况下使用内部电池供 电。 一l d o 的输出电压域 。 b u c k 的输出电压域 图1 - 1g p s 导航仪的硬件平台架构 3 东南大学硕士学位论文 手持设备的核心部件是各种类型的嵌入式处理器。嵌入式处理器具有体积小、重量轻、成本低、 可靠性高的优点。芯片内部集成r o m e p r o m 、r a m 、总线、总线逻辑、定时计数器、w a t c h d o g 、 i o 、串行口、脉宽调制输出、a d 、d a 、f l a s hr a m 、e e p r o m 等各种必要功能和外设。本论文的c p u 采用的就是x s c a l e 架构的p x a 2 7 0 。p x a 2 7 0 处理器主频高达6 2 4 m h z ，针对手持设备提供了非常丰富 的功能接口，如l c d 、音频、s d m m c 、c f 、数码相机接口、键盘等。除了强大的性能和丰富的功能 接1 3 1 ，p x a 2 7 0 中采用了w t r e l e s sm m x 和s p e e ds t e p 两项i n t e l 专有技术，在多媒体处理能力和功耗方 面有着非常大的优势p 儿1 0 j 。 表1 1p x a 2 7 0 的内部电压需求表 缺省 电压容 重负载功耗 名称单元电压 允许电压( v ) 差( ) 功耗电流( m a ) ( v ) ( r o w ) 电压( v ) 2 0 9 w 休眠状态下工作 ( 最小) l o 3 7 5 v c c b a t 3 03 02 5 + 2 5 单元和晶振 3 4 5 ( 最大) 6 1 x a 3 0 v c ci o外部设备 3 33 0 3 31 0 一+ 1 08 2 5 2 5 3 3 v c c l c dl c d 3 3 1 8 , 2 5 ，3 0 ，3 3 1 0 + 1 03 3 1 1 3 3 v c c s b u s bi o 3 3 3 0 ，3 3 1 0 + 1 08 2 5 2 5 3 3 v c c m e m 存储控制器 3 3 1 8 , 2 5 ，3 0 ，3 3 1 0 一+ 1 01 0 8 0 3 0 0 3 3 v c cb b 基带单元 3 3 1 8 , 2 5 ，3 0 ，3 3 1 0 一+ 1 03 0 9 3 3 v c c - - u s i mu s i m 单元 3 3 1 8 ，3 0 ，3 3 1 0 一+ 1 0 1 0 3 3 0 v c cp l l 锁相环单元 1 31 31 0 + 1 05 2 4 0 1 3 v c c s r a m内部s r a m 单元 1 11 11 0 + 1 05 5 5 0 1 1 2 3 9 m w 2 0 8 1 1 5 ( 最小) 2 0 8 m h z v c c c o r e 其余内部单元 0 8 5 1 5 5 5 - + 1 0 1 5 5 9 m w 1 0 0 6 1 5 5 ( 最大) 6 9 4 m h z 锂离子电 3 1 甜 图1 2p x a 2 7 0 的内部电压生成图 4 第一章手持设备的电源系统 为满足p x a 2 7 0 的电压要求，电源管理i c 解决方案仍面临着一长串电压需求，包括处理器核电压， 存储控制器基带单元电压，u s i m 单元电压，锁相环单元电压，s r a m 单元电压以及个个i o 口的供电 电压。从表1 1 的p x a 2 7 0 的内部电压需求表可以看出，需要1 1 、1 3 v 、1 8 v 、2 5 v 、3 0 v 和3 3 v 五 路电压，各路电压误差范围一般在1 0 - - + 1 0 之间。v c cc o r e 的功耗测试，设计到处理器的运行频 率和v c cc o r e 的供电电压，v c cc o r e 需要电流最大1 0 0 6 m a ；v c cm e m 需要电流最大3 0 0 m a 。 其余各路电压对电流的需求都在1 0 0 m a 以下。 手持设备的能量源一般为可再充电的锂离子或锂聚合物电池，其电压满至空( f u l lt oe m p t y ) 为 4 2 v - 2 7 v 之间。允许配置不同电压的各路，需要考虑尽量减少电压种类和芯片的承载能力。p x a 2 7 0 的各路电压的生成和分配如图1 - 2 。3 7 - 4 2 v 的电池电压分别经过1 1 v 电压转换器生成v c cs r a m ， 1 3 v 电压转换器生成v c cp l l ，v c cc o r e 的电压范围在0 8 5 v 二1 5 5 v 之间，可以是v c cc o r e 或 者v c cs r a m 电压。同理，经过3 3 v 电压转换器生成3 3 v 的v c ci o ，经过1 8 v 电压转换器生成 1 8 v 的v c cl c d ，而v c cb b ，v c cm e m ，v c cu s i m 可以经过3 3 v 电压转换器生成的3 3 v 电 压，也可以经过1 8 v 电压转换器生成1 8 v 。v c cb a t 电压经过3 0 v 电压转换器生成3 0 v 。 1 2 手持设备的电源实现 手持g p s 导航仪的i o 部分所带的负载最多，它的功耗占系统功耗的比重也较大。而且随着功能 越来越强的s o c 的出现，单片负载电流更加集中，且手持设备的处理器的i o 电压轨的负载即s o c 芯 片上的“片内外设”也随着处理器的睡眠、正常工作等模式间频繁切换造成开关电流噪声较大。本文选 系统i o 电压作为分析，研究对象。 控制器i c 选型 以系统i o 电压为例说明电压的设计，输入电压为锂电池电压：3 7 v 4 2 v ，系统i o 电压定为3 3 v ， 工作时负载电流为1 0 0 - 6 0 0 m a 。选用高效率和具有快速动态响应的电流控制模式b u c k 型开关电感式电 压转换器，可获得约9 0 的转换效率和更快的负载响应。 控制器是开关电压转换器中集成度最高的部分，目前流行的b u c k 控制器基本集成了除输入输出电 容、储能电感外的其他所有器件。其主要功能是完成输入误差信号到输出控制信号的转换，即控制算法 的实现。b u c k 开关控制算法的实现主要由控制器内的时钟部分、误差放大部分、逻辑控制部分来完成， 详细的控制原理见本章第三节所述，此处不再赘述。 所选器件e u p 3 4 0 6 的主要电气参数1 1 1 如下： 1 ) 最大负载电流：6 0 0 m a 2 ) 输入电压范围：2 5 v - 5 5 v 3 ) 输出电压：最低可调至内部参考电压0 6 v 4 ) 开关频率：1 5 m h z 芯片为s o t 2 3 5 封装，管脚为5 脚。 引脚定义：1 ) e n 使能脚高电平有效 2 ) q o 系统地 3 ) w 连接储能电感的开关节点 4 ) v i n 输入电源 5 ) v f b 电压负反馈输入点 电路原理图 根据以上选型分析和控制器i c 的功能定义，稳压电路如图1 3 ：图中v b a t 为电池端的电压，v c c 3 为系统l o 电压3 3 v 。输入端并联的t v s 为防静电高压损伤的压敏电阻。r 1 3 1 为便于系统调试而加入 的零欧姆电阻。t p l 5 为测试点，便于调试测量时与测试设备连接，与输入输出并联的小电容用于滤除 高频电源噪声。 5 东南大学硕士学位论文 1 v s 2 1 0 4 0 2 - 0 8 0 m 3 0 1 p c b 设计 图1 3 稳压电路原理图 手持g p s 导航仪的设备内部空间较小，应在电路上充分考虑的前提下，进行合理的p c b 布局布线， 以使电源系统稳定工作。同时，移动终端设备的使用环境复杂，国际上和国内对于这类设备e m i 的限 制较严格，通过在p c b 布局布线方面多加处理来达到标准要求，相对于电路改进、外壳屏蔽等手段都 要廉价和方便。针对如上这些问题，在b u c k 开关变换器的设计中应遵循下面几个主要原则1 1 2 1 1 1 3 1 1 1 4 1 ： 减小主电流回路面积 图1 4 表示了充电和放电的两个主电流回路。由于这两个回路具有较大的开关电流，其谐波成份丰 富，会由于环路的天线效应对外造成干扰【l3 1 。因此应尽量将输入输出电容、电感、控制器靠近，减少 回路面积，这样可以有效的降低对外干扰。同时应尽量使这两个回路的电流在空间上保持同方向流动， 这样可以减少由交变电场引起的e m i 干扰。 图1 4 开关稳压电源的电流回路 r 敏感信号远离干扰源 在降低主电流回路干扰的情况下，还应使变换器内部敏感信号或其他敏感电路尽量远离强干扰区。 特别是稳压器内部的反馈端及补偿电路都是高阻输入端，因此极易受干扰，应尽量在布局布线时远离电 感及主电流走线，一个有效的做法是将其布于p c b 的另一面。 降低电源、地线分布参数影响 p c b 线路板是电气连接的实现手段，当频率和电流大小达到一定量级时其等效r 、l 、c 分布参数 便不能忽略不计。因此，对于需要大电流走线的电源、地、信号线应尽量缩短加粗，这样可以减小线路 等效电阻，提高效率。同时，保证输入输出电容、控制器共地良好，尽量以大面积铺铜作为共地点，将 此共地点以多个过孔连接到地平面。遵循上述通用的和针对具体控制器的原则，稳压电路部分的p c b 设计如图1 5 ：上述三条原则是开关变换器应参考的通用规则，在实际的布局布线应对具体的控制器和 外围器件电路特性进行分析，结合通用规则规划具体的布局布线方案。针对e u p 3 4 0 6 控制器，为减小 布线的寄生参数影响和提高性能，具体布局布线建议如下： 输入电容尽量靠近控制器输入端v i n 输入电容与输出电容的负端尽可能靠近在一起 保证功率通路v m ，s w ，g n d 的走线短而粗 负反馈电阻网络接于c o u t 和地之间，且控制器反馈端v f b 直接连到反馈电阻间 6 第一章手持设备的电源系统 将噪声节点s w 的走线远离敏感节点v f b 节点 1 3 电源管理技术 图1 - 5 开关稳压电路的p c b 布局设计 电源管理( p o w e rm a n a g e m e n t ) 指如何将能量有效分配给g p s 导航系统的不同组件，即负责整机 的电源供给及为实现低功耗目的而实施的供电管理调度。对一般手持设备而言，电压管理子模块主要负 责对未稳压的电池电压进行调节以满足不同的负载要求，为整个系统中各模块的工作提供稳定的电压 源。目前电压管理的实现技术主要有线性l d o ( l o wd r o p o u t ) 开关电感式和开关电容式三种方式的 电压转换器( v o l t a g er e g u l a t o r ) 。在这些之间选择面临着在总体成本、效率、集成度、设计灵话性以及 封装等诸多方面进行权衡的问题。 电压管理的实现方式即电压转换器的采用与电源自动4 试的分析与设计关系相对最为紧密，下面对 各种电压转换器给予详细介绍。 1 3 1 线性电压转换器 g p s 导航仪的v c c p l l 电压对纹波的要求较高，采用低压差的线性l d o 来供电。l d o 的系统应 爿j 原理圈比较简单，如图】- 6 所示： 图1 - 6 线性l d o 原理图 l d o 只能实现输入到输出的降压调节输出在稳态条件下，从负载端看去l d o 电压转换器就类似 东南大学硕士学位论文 一个电阻器，其等效阻值可随负载电流i ，( 即尺，) 而改变。 其等效阻值j = ( 一沂) 叮也 下面结合l d o 内部的功能结构图1 7 ，分析r ，n n 的可变控制的实现原理，q l 称为调整管，位于 输入到输出的主通路上，尽脚= r d s ( 钾) ( r 1 ，r 2 为输出电压采样反馈电阻，其阻值相比也和j 很 大，可忽略其对r ：并联阻值的影响) ，当负载电阻变化或巧变化引起，盯微小变化时，由反馈采样电 阻采样，丌与内部带隙基准源比较将，矿的变化量经由误差放大器放大形成负反馈，产生对调整管驱 动端的控制电压v o s ，因为工作于饱和区的q 1 的如渤) = 耳( v g s 一) 2 ，耳为p m o s 调整管 的导电因子，为阈值电压。通过调节来控制如( 。) ，从而控制尽l d d ，实现稳压的目的。 e n a b l e 为使能端，用来在系统的空闲或睡眠模式等低功耗模式下关断l d o ，从而近一步降低系统 静态的功耗。t h e r m a ls e n s e 和c u r r e n tl i m i t 是对芯片过热和限流的保护。l d o 的输出噪声主要来自于 b a n d g a pr e f e r e n c e 这个模块，b y p a s s 脚就是在b a n d g 印r e f e r e n c e 的输出端外接一个电容，与电路内部 的电阻组成低通滤波器，用以减小调节器的输出噪声。但是增加b y p a s s 电容( 一般1 0 n f ) 带来的不利 因素是l d o 对e n a b l e ( 使能) 响应速度会变慢( 从雌级到m s 级) ，因此如果l d o 的应用场合没有低噪 声的要求或对噪声要求不高，一般建议可不加这个电容【l 别。 图1 7l d o 控制芯片内部功能结构图 目前手持便携应用中的l d o 采用诸如芯片级的超小型封装，大小仅为几平方毫米，而且多采用芯 片内置的频率补偿方案，使得传统的依赖输出电容的e s r 产生的零点( z = 1 陆c r d w ) 来提高稳定 裕度不再成为必需，所以能够实现输入和输出只采用低e s r 的陶瓷电容器的解决方案，所以成本较低， 输出纹波更小，多用于模拟或r f 等对噪声更加敏感的部分，缺点是只能降压输出，且压差大时效率较 低。( 效率7 7 = v o 叮) 。 1 3 2 开关电感式电压转换器 开关电感式的各种电路拓扑结构及基本原理 开关电感式d c - d c 变换器是用半导体功率器件作为开关，利用电感作为储能元件将负载线路与源电 压一会相接，一会断开，则负载上也得到另一个直流电压，类似于斩波的原理。以降压的斩波变换为例， 如下图1 8 所示： 8 第一章手持设备的电源系统 ：一 i s 1 储能，滤波 r 。 图1 8 降压斩波示意图 开关s 1 在周期方波的控制下，间歇性的开合，t 1 时间代表开关导通，心时间代表开关断开，t 为 控制方波的周期。通过s l 将输入直流电源进行变换，再经储能滤波单元，得到输出的平均直流电源 u 0 = d 木u i ，式中d 为控制方波的占空比，d 吼l 厂r 。通过调节占空比d ，可实现对u o 的控制。通常调节 占空比方式有两种，一种为p w m ( p u l s ew d mm o d u l a t i o n ) 调节，维持t 不变，改变t 1 ；另一种为p f m ( p u l s ef r e q u e n c ym o d u l a t i o n ) 调节，维持t l 不变，改变t 。p f m 调制的缺点是：容易产生谐波干扰， 滤波器设计也比较困难。由于半导体功率器件工作于开关状态，所以其功率损耗相比于线性l d o 的调 整管的m o s f e t 要小得多，故开关d c d c 的转换效率很高，一般能达到9 0 左右。高效率是开关电 源取得广泛应用的最主要原因，尤其在手持设备环境的低功耗要求下。 开关电感式d c d c 变换电路主要包括功率级和控制电路两部分。功率级电路包括： 1 功率半导体开关，常为功率m o s f e t ( 或集成于控制i c 中) 和续流二极管 2 l ，c 储能滤波单元 控制电路在手持设备中的开关电感