专利名称：适用于便携式数据采集系统的高效率高输出质量的电源模块的制作方法
技术领域：
本发明涉及的是一种适用于便携式数据采集系统的高效率高输出质量的电源模块。
背景技术：
电源模块是一个仪器仪表中的基本组成部分，它负责为整个仪器的电路部分供电。电源模块的输出质量、效率直接关系着整个仪器的基本性能。较好的电源输出质量能保证数据采集系统的精度和可靠性；较高的转换效率表示系统能较大程度地利用电池电能，降低损耗，延长电池使用时间。便携式数据采集系统作为在现场进行数据采集的一类特殊仪器，在工业测控、医 疗仪器以及消费类电子产品中得到了广泛应用。便携式数据采集系统在设计上需要满足微功耗、微型化及较高精度的要求。电源模块作为便携式数据采集系统的重要组成部分，其设计的好坏将直接影响系统的精度和可靠性。在一个便携式数据采集系统中，电源模块的设计通常需达到以下设计要求I)电源模块具有较高的输出质量。数据采集系统中的信号调理及高精度数据采集要求高质量的电源——即输出纹波小、稳压效果好。2)电源模块具有较高的效率和微功耗特性。这将直接关系到便携式系统中内置电池的可使用时间。3)电源模块可以对模拟电路和数字电路同时供电，且数字电路不会通过电源电路干扰模拟电路。4)电源模块具有较低的电磁辐射，不影响系统其它部分的正常工作。5)电源模块具有微型化的特点，只在便携式系统中占用很少的电路板空间。传统的线性稳压电源是一种晶体管串联调整的稳压电源，目前市面上已有大量集成化的线性稳压电源模块。这种电源技术比较成熟，具有稳定性好、输出纹波小、可靠性较高等特点。但是也有较明显的缺点，如电路中通常需要体积较大的工频变压器、滤波器或散热器，故电路模块的体积较大；另一方面，线性稳压电源电路中的调整管工作在线性放大状态，其集电极与发射极之间需承受较大电压差，导致调整管的功耗较大，因此线性稳压电源的效率很低，一般只有约45%。综上所述，传统的线性稳压电源在效率和体积上有明显的不足，已经远不能适应现代便携式仪器仪表的发展，不能满足对体积、功耗、使用效率要求很高的便携式数据采集系统的要求。开关电源是另一类稳压电源，其内的功率管不是工作在线性区，而是工作在饱和及截止区，即工作在开关状态。相对于线性电源，其功耗较低，效率可达70% -95%。但是开关电源的一个比较明显的缺点是输出质量较差，即输出纹波较大，电磁辐射较严重，存在较强的尖峰和谐波干扰，不能满足数据采集系统对电源输出质量的要求。
发明内容
本发明针对以上问题，采用了开关电源+线性电源的组合电源结构设计了新型的电源模块，能有效减少输出纹波，提高电源输出质量，兼顾了电源输出质量与效率的双重因素，同时该电源模块所占空间小、功耗低，可以通过中央控制单元进行智能功耗管理，完全能够满足便携式数据采集系统对电源电路的较高要求，实际应用中取得了很好的效果。本发明的技术方案如下一种适用于便携式数据采集系统的高效率高输出质量的电源模块，电池组连接3V低压差稳压电路和DC-DC升压变换电路，DC-DC升压变换电路连接5V低压差稳压电路，5V低压差稳压电路输出接模拟电路部分，为模拟电路供电，3V低压差稳压 电路接数字电路部分，为数字电路供电，中央控制单元(MCU)通过其控制引脚来控制DC-DC升压变换电路的使能端，以此来控制DC-DC升压变换电路的开和关，实现对模拟电路部分的供电管理;MCU的另一个控制引脚控制3V低压差稳压电路的使能端，控制其开和关，以此对数字电路部分进行供电管理。所述的电源模块，所述DC-DC升压变换电路采用基于TPS60110的DC-DC升压变换电路，在所述TPS60110的输出端再接一级LC滤波电路，所述TPS60110的COM和SKIP引脚同时接地，将TPS60110的推挽模式和频率恒定方式相结合，使TPS60110实现最高质量的稳
压输出。所述的电源模块，所述5V低压差稳压电路为基于TPS76350的低压差稳压电路，输出模拟电路的5V电压。所述的电源模块，所述3V低压差稳压电路为基于TPS76330的低压差稳压电路，输出数字电路的3V电压。本发明中提出的开关电源+线性电源的组合电源结构，能有效降低输出纹波，有效抑制谐波干扰和电磁辐射，提高电源模块的输出质量，兼顾了电源输出质量与效率的双重因素，还可以使系统内的中央控制单元方便地进行智能功耗管理，是对便携式数据采集系统较合适的电源电路结构。 本发明中的新型电源模块能够为模拟电路与数字电路同时供电，并分别提供5V和3V稳压电源，功耗低，体积小，电源输出质量高，电源输出纹波在2毫伏以内。
图I为本发明电源模块原理框图；图2为本发明LC滤波电路图；图3为基于TPS60110的5V输出DC-DC升压变换电路；图4为3V低压差稳压电路的电路连接图；图5为5V低压差稳压电路的电路连接具体实施例方式以下结合具体实施例，对本发明进行详细说明。电源模块的结构
图I是便携式数据采集系统中电源模块的结构图。如图I所示，电池组连接3V低压差稳压电路和DC-DC升压变换电路，DC-DC升压变换电路连接5V低压差稳压电路，5V低压差稳压电路输出接模拟电路部分，为模拟电路供电，3V低压差稳压电路接数字电路部分，为数字电路供电，中央控制单元(MCU)通过其控制引脚来控制DC-DC升压变换电路的使能端，以此来控制DC-DC升压变换电路的开和关，实现对模拟电路部分的供电管理；MCU的另一个控制引脚控制3V低压差稳压电路的使能端，控制其开和关，以此对数字电路部分进行供电管理。本模块的这种电源结构，有利于进行功耗的精细管理，即可根据系统的工作流程对模拟和数字电路的各个部分进行分时分区操作，由MCU进行精细的供电管理，将同一时刻没有用到的分区的电源彻底关断，这将能显著降低系统功耗。本电源模块中，通过DC-DC升压变换电路将电池组的输出泵升到5V电压输出。为了使输出电压稳定性高，纹波尽可能小，在DC-DC升压变换电路的输出端再连接一级具有较强纹波抑制能力的低压差稳压电路。这种开关电源+线性电源的组合电源结构，能有效减少输出纹波，提高电源输出质量，兼顾了电源输出质量与效率的双重因素，是对便携式数 据采集系统较合适的电源电路结构。DC-DC升压变换电路具有升压作用的DC-DC变换电路是开关电路的一种，其输出电源的质量和实际转换效率是需要重点考虑的因素。常用的DC-DC升压变换电路可以分为二大类开关式调整器升压泵和电容式电荷泵。无论哪种DC-DC变换电路，其工作原理均为由电路通过储能元件(电感或电容)贮存电能，然后以受控方式释放能量，获得需要的输出电压。不同的是，开关式调整器升压泵主要采用大电感来贮存能量，而电容式电荷泵则采用电容。虽然两种形式的升压变换电路都可以提供较高的电源转换效率，但实际使用中却有很大的差别，选择合适的DC-DC升压变换电路对电源模块的设计至关重要。开关式调整器升压泵是一种基于电感的升压变换电路，其转换效率较高，通常都可以达到85%以上。由于采用了功率开关管(一般为MOS管或场效应管)和较大尺寸的储能元件一大电感(几十μΗ以上)和大电容(一般为几百UF)，其启动电压较低，升压范围较大，输出电流也较大(通常可达到IA以上)。但这种升压变换电路输出纹波较大，尖峰脉冲能达到上百毫伏，而且由于功率开关管的频繁开关动作，使得输出中有较强的谐波干扰，常规的降噪手段如良好布线、接地处理和添加去耦电容等，均对其噪声改善不显著。所以，基于电感的升压变换电路虽然效率较高，但输出质量较差，电磁辐射较严重，输出纹波较大，存在较强的尖峰和谐波干扰，不能满足数据采集系统对电源输出质量的要求。且其外围电路复杂，所需元器件较多，多个大电感、大电容和功率开关管也对便携式系统有限的电路板空间构成较大负担。电容式电荷泵是另一种形式的DC-DC升压变换电路。其使用电容来代替电感或变压器来存储电能。它利用高频振荡器，控制电容的充、放电，将能量由输入传给负载。能从输入电压产生正或负电压，其输入电压被乘以O. 5、2或3等因子来产生需要的输出电压。集成电荷泵由于其集成的电容体积的限制，往往只能提供较小的电流输出(通常在IOmA 150mA, <300mA)，但是对于大多数的便携式数据采集系统，其电流输出已经够用了。
电容式电荷泵由于采用小电容来贮存能量，无须大电感等储能元件，故一般不存在明显的电磁噪声。其体积小，电路结构简单，外围电路一般只需几个小电容，成本也较低。由此可见，电容式电荷泵能够在优先保证输出电源质量的前提下，兼顾效率，适合作为便携式数据采集系统的DC-DC升压变换电路。基于TPS60110的DC-DC升压变换电路基于TPS60110的DC-DC升压变换电路具体如图3所示。TPS60110是TI公司的一种新型低噪声电荷泵芯片，具有以下特点提供5V的稳压输出，低于IOmV的输出电压纹波,其输出无明显电磁福射；效率可达90 %，最大输出电流300mA，能满足本系统需要；60 μ A的静态电流，O. 05 μ A的关断漏电流，功耗极低；具有2. 7-5. 4V的输入电压范围，保证系统在电池电量变化过程中输出的稳定性；TSS0P贴片封装，外围电路仅需几个小电容，电路体积很小；TPS60110芯片的ENABLE使能端控制TPS60110的关断，当ENABLE = O时，TPS60110进入关断状态，此时仅消耗O. 05 μ A电流，且输入与输出完全隔离，为系统提供了智能化电源管理功能。
通过改变TPS60110的COM弓丨脚的外接电平可以选择其内电荷泵的工作状态，使其工作于推挽模式(COM = O)或单端模式(COM = I)。SKIP引脚可以对开关频率的变化进行控制，使其工作于脉冲跳跃方式(SKIP = I)或频率恒定(SKIP = O)方式。这样就可以通过COM、SKIP引脚组合控制TPS60110芯片的工作模式。为了保证输出电源质量，本电源模块中令COM和SKIP引脚同时接地，即将TPS60110的推挽模式和频率恒定方式相结合，可使TPS60110实现最高质量的稳压输出。降低输入电容Cln的等效串联电阻(ESR)可以提高系统效率和稳定输入电流。输入电容Cln的容值设定为泵电容的2-4倍。同时，输出电容Cwt应具有较低的ESR，以降低电能的无谓消耗，同时可以减小纹波。两个泵电容Cl和C2则选择高频性能较好的陶瓷电容。在推挽方式工作时，尖峰会出现在电路中相位翻转的时刻。虽然TPS60110的尖峰干扰相对于其它形式的开关电路已经有较大改善，但是尖峰脉冲的存在仍然会对数据采集系统的信号采样过程造成一定干扰，因此需要进一步改善TPS60110的输出质量。主要方法是在TPS60110的输出端再接一级LC滤波电路。TPS60110输出纹波的频率在IOOMHz附近。由于这是高频干扰信号，因此可以采用无源LC低通滤波电路，这样所需电容和电感值较小，其尺寸也较小，可节省电路板空间和电路成本。电路结构如图2所示。图2中2脚输出的直流电压会受电感L的直流电阻影响而略低于5V，且还会受到负载的影响，因此把2脚的输出端接到TPS60110的反馈引脚FB上以稳定输出。升压变换电路的布线对抑制电磁干扰非常重要。需在电路板布线中遵循以下规则C4和C5是两个去耦电容，布线时应尽量靠近TPS60110芯片；TPS60110的所有接地端应该接到同一个地上；输入和输出电容的放置应尽量靠近TPS60110的相应引脚，以降低因导线带来的电阻值；两个泵电容Cl和C2到TPS60110的放置距离要相等，即放置位置关于TPS60110对称；芯片底部的散热片应焊接在印刷电路板的电源地上；电源电路内的所有导线尽可能的短和粗。采用基于TPS60110的电荷泵式DC-DC升压变换电路，为电源模块的高转换效率、低输出纹波、低电磁辐射提供了重要的技术保证。低压差稳压电路
如图I所示，为了进一步提高电源电路的输出质量，尤其是进一步降低纹波，本电源模块中，在DC-DC升压变换电路的输出端又接了一级基于TPS76350的低压差稳压电路，输出模拟电路的5V电压。电池组后还接了一级基于TPS76330的低压差稳压电路，以输出数字电路的3V电压。TPS76350和TPS76330是TI公司的低压差稳压电路。均可输出150mA电流，关断时静态电流低于2 μ A，由于米用了电压控制的PMOS传输器件，在输出电流增加时稳压电路自身不需要更大的驱动电流，提高了效率。TPS76350和TPS76330低压差稳压电路采用的S0T-23封装只有5个引脚，外围只需两个小电容，如TPS76330稳压电路中的C6和C7，TPS76350稳压电路中的C8和C9，能有效节省空间。具体电路如图4和图5所示。图4和图5电路中所有电容均采用表贴封装的钽电容。钽电容具有较低的等效串联电阻和较好的温度特性，能有效降低输出纹波和提高电路效率。TPS76350和TPS76330低压差稳压电路的纹波抑制比达到了 60db，基于TPS60110的DC-DC升压变换电路的5V输出电压经TPS76350进一步稳压后，输出纹波可被限制在2毫伏以内。本发明中提出的开关电源+线性电源的组合电源结构，能有效降低输出纹波，有效抑制谐波干扰和电磁辐射，提高电源模块的输出质量，兼顾了电源输出质量与效率的双重因素，还可以使系统内的中央控制单元方便地进行智能功耗管理，是对便携式数据采集系统较合适的电源电路结构。本发明中的新型电源模块能够为模拟电路与数字电路同时供电，并分别提供5V和3V稳压电源，功耗低，体积小，电源输出质量高，电源输出纹波在2毫伏以内。应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。权利要求
1.一种适用于便携式数据采集系统的高效率高输出质量的电源模块，其特征在于，电池组连接3V低压差稳压电路和DC-DC升压变换电路，DC-DC升压变换电路连接5V低压差稳压电路，5V低压差稳压电路输出接模拟电路部分，为模拟电路供电，3V低压差稳压电路接数字电路部分，为数字电路供电，中央控制单元(MCU)通过其控制引脚来控制DC-DC升压变换电路的使能端，以此来控制DC-DC升压变换电路的开和关，实现对模拟电路部分的供电管理;MCU的另一个控制引脚控制3V低压差稳压电路的使能端，控制其开和关，以此对数字电路部分进行供电管理。
2.根据权利要求I所述的电源模块，其特征在于，所述DC-DC升压变换电路采用基于TPS60110的DC-DC升压变换电路，在所述TPS60110的输出端再接一级LC滤波电路，所述TPS60110的COM和SKIP引脚同时接地，将TPS60110的推挽模式和频率恒定方式相结合，使TPS60110实现最高质量的稳压输出。
3.根据权利要求I所述的电源模块，其特征在于，所述5V低压差稳压电路为基于TPS76350的低压差稳压电路，输出模拟电路的5V电压。
4.根据权利要求I所述的电源模块，其特征在于，所述3V低压差稳压电路为基于TPS76330的低压差稳压电路，输出数字电路的3V电压。
全文摘要
本发明公开了一种适用于便携式数据采集系统的高效率高输出质量的电源模块，电池组连接3V低压差稳压电路和DC-DC升压变换电路，DC-DC升压变换电路连接5V低压差稳压电路，5V低压差稳压电路输出接模拟电路部分，为模拟电路供电，3V低压差稳压电路接数字电路部分，为数字电路供电，由中央控制单元(MCU)通过控制DC-DC升压变换电路和3V低压差稳压电路来控制模拟和数字部分的供电。本发明中的新型电源模块能够为模拟电路与数字电路同时供电，并分别提供5V和3V稳压电源，功耗低，体积小，电源输出质量高，电源输出纹波在2毫伏以内。
文档编号H02M3/156GK102761234SQ20121024347
公开日2012年10月31日 申请日期2012年7月13日 优先权日2012年7月13日
发明者卢虹冰, 常小红, 廖琪梅, 张国鹏, 焦纯, 见伟平, 霍旭阳 申请人:中国人民解放军第四军医大学