嵌入式系统中电源管理电路的设计与实现

2014-09-25毕建忠柯贤文

通信电源技术 2014年1期

毕建忠，柯贤文

（中国人民解放军总参通信训练基地，河北宣化075100）

1 系统简介

电子电路集成工艺的飞速发展使计算机系统体积不断缩小，性能不断地提升，同时移动通信技术的发展让这些计算机系统更加的便携，许多便携式计算机开始使用电池供电。高性能运算通常伴随着高功耗，而电池技术的严重滞后和人们环保意识的增加使得性能和功耗之间的问题越发突出。电源管理技术的出现缓和了两者之间的矛盾，通过有效的电源分配降低系统的整体功耗。电源管理技术在桌上型计算机、服务器上十分常见，然而在嵌入式领域，由于嵌入式系统的开发通常是针对特殊的应用场合，电源管理技术发展相对缓慢。本文以一个完整的嵌入式系统手持终端设备为例，对系统的电源管理电路进行了设计，以ARM为控制中心，内部包含256 MBDDR内存和512 MBNand Flash存储器，提供异步串口、USB、Wi Fi、AC97、显示等电路单元。充电接口包括USB和交流适配器两种接口，其中交流适配器输出电压范围在5～12 V之间，提供大于1 A的输出电流。

电源部分主要包括：电池检测电路、电池充电电路、电源智能选择器、DC－DC转换、电源控制电路等。

2 电源管理电路分析

2.1 充电管理芯片介绍

充电管理芯片选用MAXI M的MAX8903 A，基本特性如下：

（1）4.15 V～16 V 的高效 DC－DC输入范围，不需要设计散热器，有利于设计体积小的设备；

（2）公用或单独的USB和适配器输入，具有高达2 A（可调）的电流上限；

（3）4 MHz开关频率允许使用微小的外部元件；

（4）立即导通：在没有电池或电池过放电时保持工作；

（5）50 mΩ集成负载开关；

（6）高达16 V的输入OVP（过压保护）；

（7）热敏电阻监测，热调整功能防止过热；

（8）充电定时器；

（9）4 mm×4 mm、28引脚TQFN封装。

2.2 电源管理电路分析

电源管理电路框图如图1所示。

系统接成双输入外接电源模式（交流适配器和USB）。连接交流适配器时，芯片通过内部高效的DCDC降压转换器，单独或同时提供系统工作电源和电池充电电源。当连接USB外接电源时，充电电流限制小于500 mA，系统负载电源大于USB供电能力时，不足部分由电池电量提供补充。智能电源选择器在外接电源和电池之间实现自动切换，保证系统的不间断供电。外接电源检测和充电检测连接CPU的GPIO端口用于系统监控电源状态。

图1 电源管理电路框图

外接电源以交流适配器为主，不推荐使用USB连接，原因是USB供电能力有限，在系统工作状态下，完成充电需要相当长的时间。

系统电源管理部分电路原理图如图2所示。

（1）充电电流控制

充电电流受R8P和R9P控制，充电电流的最大值为1 200／R8P，同时充电电流小于6 000／R9P，其中6 000／R9P直流电源限流设置。如图2所示，当R8P＝1.5 kΩ、R9P＝3 kΩ时，直流电源限流为6 000／3 000＝2 A，充电限流1 200／1 500＝0.8 A。如果R8P＝1.2 kΩ、R9P＝5 kΩ，直流电源限流为6 000／5 000＝1.2 A，充电限流1 200／1 200＝1 A。

本系统选用R8P＝1.5 kΩ、R9P＝3 kΩ。

（2）系统电压切换

当DCIN和USB同时接入系统电源输入时，DCIN输入优先，USB输入自动关闭。DCIN同时供给电池充电和MBAT（系统供电电源），电池还可以起到减少MBAT电压波动的作用。

电池充电完成后，充电电路部分关闭，DCIN供给MBAT系统电源，MBAT电压稳定在4.4 V。

（3）充电指示

MAX8903管脚DOK是直流电源连接指示输出，低电平有效，指示灯D2P用于指示直流电源连接状态，同时信号连接到CPU的GPIO管脚，用于软件检测此状态。

MAX8903管脚CHG是正在充电指示输出，低电平有效，指示灯D3P用于指示充电状态，同时信号连接到CPU的GPIO管脚，用于软件检测充电状态。