干電池供電系統(tǒng)設(shè)計(jì)陷阱，你是否也上過(guò)當(dāng)？

2000年8月以前，我一直是以完整的軟硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)為業(yè)的，其中有一些短暫的時(shí)段混入了化工行業(yè)，但也屬于技術(shù)應(yīng)用的范疇，拓展了自己的知識(shí)面。
回想還在做系統(tǒng)的時(shí)候，只要是哪里發(fā)現(xiàn)有問(wèn)題，周圍的人就會(huì)圍上來(lái)，看看到底是怎么回事，問(wèn)題又會(huì)怎樣被解決，這時(shí)候大家的情緒都很高昂，一點(diǎn)不會(huì)覺(jué)得苦?；叵肫疬@樣的場(chǎng)景，我才理解了為什么談問(wèn)題的文章會(huì)被大家更多地關(guān)注，但是說(shuō)句心里話，我更希望諸位看官要多關(guān)心基本的原理，它們是不變的規(guī)律，談起來(lái)可能沒(méi)有什么意思，遠(yuǎn)沒(méi)有各種各樣的問(wèn)題炫目，但卻能讓你的眼目不被炫花，永遠(yuǎn)保持清醒的頭腦，遇到問(wèn)題也不會(huì)有火燒眉毛的感覺(jué)。

剛?cè)胄心菚?huì)兒的電子產(chǎn)品與今日的完全不一樣，傳呼機(jī)還是很重要的通訊工具，立锜的RT9261在這個(gè)領(lǐng)域賣(mài)得很好；10萬(wàn)像素和30萬(wàn)像素的數(shù)碼相機(jī)在深圳很火，RT9262是在其中用起來(lái)很爽的一款器件，我在DC/DC領(lǐng)域遇到的第一個(gè)技術(shù)問(wèn)題就發(fā)生在這款器件的應(yīng)用上，一家客戶在此應(yīng)用上的創(chuàng)新是將其機(jī)殼表面噴絨成為很柔和的樣子，老板在介紹這一點(diǎn)的時(shí)候表現(xiàn)得非常自豪，至今還能清晰地回放在眼前，他們的那位項(xiàng)目管理者則表現(xiàn)得非常能干，讓人信賴，后來(lái)成為了一名成功的創(chuàng)業(yè)者；MP3播放器也在那時(shí)候開(kāi)始成為很火的產(chǎn)品，凌陽(yáng)成為我們這個(gè)領(lǐng)域很好的合作伙伴，我經(jīng)常穿梭在他們的辦公室和代理商之間。

今天的工程師在選用電池的時(shí)候，鋰離子電池通常都是當(dāng)然之選，那個(gè)時(shí)代則是以普通的干電池為主，用堿性電池就算是很奢侈了，但這是消費(fèi)者的事，系統(tǒng)設(shè)計(jì)上并無(wú)什么區(qū)別。普通干電池或堿性電池的容量并不大，單顆AAA規(guī)格（7號(hào)）堿性電池的容量只有幾百mAh，這樣的電池用在耗電還很高的MP3上真的堅(jiān)持不了多久，所以如何省電會(huì)成為很重要的話題。

MP3播放器的工作電壓一般是3.3V，還有一組2.5V或1.8V為內(nèi)核部分供電，考慮到體積的緣故，電池一般都會(huì)選擇單節(jié)或雙節(jié)的，這樣就一定會(huì)選用Boost作為升壓轉(zhuǎn)換器提供3.3V，然后再用LDO生成另一組低電壓。極端追求低成本的情況下就不用LDO了，二極管直接上陣，這樣就把成本降下來(lái)了，但這一招并不是僅僅出現(xiàn)在MP3這項(xiàng)應(yīng)用中，光碟播放器里面也有，我們作為電源工程師當(dāng)然會(huì)反對(duì)這么做，但你不能對(duì)抗市場(chǎng)的力量，它們都是進(jìn)入殘酷階段以后的戰(zhàn)術(shù)。

為了省電，電源轉(zhuǎn)換器在MP3播放器不工作的時(shí)候也是不工作的，需要工作的時(shí)候就需要按下某個(gè)按鍵使Boost轉(zhuǎn)換器的使能端變成高電平讓Boost開(kāi)始工作，MCU得到正常電源供應(yīng)以后開(kāi)始運(yùn)行，它再給出一個(gè)維持供電的信號(hào)使Boost轉(zhuǎn)換器總是處于使能狀態(tài)，工作狀態(tài)得以自動(dòng)維持。等到系統(tǒng)不需要工作了，MCU將維持供電的信號(hào)撤掉，自身進(jìn)入待機(jī)狀態(tài)，Boost轉(zhuǎn)換器停止工作，系統(tǒng)的消耗就降到了最低，電池電量得以有效維持，從而確保其使用時(shí)間最長(zhǎng)化。（說(shuō)得這么詳細(xì)了，喜歡研究的初學(xué)者可以嘗試把圖出來(lái)，所涉器件可以是RT9266+RT9166，這都是當(dāng)年的明星IC，現(xiàn)在仍然常被使用。）

即使待機(jī)功耗最小化，那時(shí)候的MP3播放器的電池使用時(shí)間也是很短的，所以有的人就會(huì)研究新的做法。在凌陽(yáng)的代理商中，有一家位于中山，他們有一位很好的工程師，后來(lái)成了我長(zhǎng)期的朋友，現(xiàn)在則是一位企業(yè)家，也是一位很有創(chuàng)新精神的人，他讓MP3播放器的電池使用時(shí)間達(dá)到了最大化。他是怎么做的呢？降低系統(tǒng)工作電壓。我們都知道負(fù)載所消耗的功率是電流乘以電壓，只要降低了電壓，功耗就直接降低了，Boost的升壓比下降，其轉(zhuǎn)換效率也會(huì)有所提高，而他發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)工作電壓的下限大約在2.8V左右，于是就將工作電壓設(shè)定到了這里，如果在生產(chǎn)中發(fā)現(xiàn)哪臺(tái)機(jī)子因?yàn)殡妷禾投荒苷９ぷ?，產(chǎn)線上的工人就將Boost轉(zhuǎn)換器的反饋電阻調(diào)換一下，讓機(jī)子能夠正常起來(lái)，這樣就將所有機(jī)子的電池利用效率都最大化了。實(shí)際上，這位朋友的電壓設(shè)定點(diǎn)選得非常好，生產(chǎn)中需要更換電阻的幾率只有千分之一，對(duì)生產(chǎn)效率的影響非常小。

受結(jié)構(gòu)的限制，很多使用干電池供電的系統(tǒng)會(huì)把電池放在物理結(jié)構(gòu)的中央，它的周圍就是PCB。這樣的結(jié)構(gòu)常常會(huì)給PCB設(shè)計(jì)帶來(lái)一個(gè)陷阱，沒(méi)有經(jīng)驗(yàn)的人很容易就會(huì)陷進(jìn)去，下面我用原理圖加準(zhǔn)實(shí)物的方式來(lái)對(duì)此進(jìn)行呈現(xiàn)：

圖中標(biāo)注為SW的MOSFET開(kāi)關(guān)就是Boost轉(zhuǎn)換器的功率開(kāi)關(guān)，它在下圖所示的原理圖中位于RT9266的LX和GND之間：

在這樣的設(shè)計(jì)中，由于開(kāi)關(guān)電流、續(xù)流電流、負(fù)載電流混雜一處，Boost轉(zhuǎn)換器很容易就處于不穩(wěn)定的工作狀態(tài)，幾乎沒(méi)有哪一款設(shè)計(jì)能夠順利地走入生產(chǎn)階段，樣機(jī)測(cè)試中就會(huì)被否決掉。

那么要如何做才是對(duì)的呢？作為設(shè)計(jì)師必須不怕麻煩，該拉的線還是要拉的，即便是會(huì)讓你的PCB設(shè)計(jì)或結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)麻煩一點(diǎn)。好的設(shè)計(jì)大概會(huì)這樣做：

電路圖上能不能表達(dá)出PCB要如何設(shè)計(jì)的想法呢？可以的。我在早年學(xué)習(xí)繪圖標(biāo)準(zhǔn)的時(shí)候，就要在電路圖上表達(dá)出信號(hào)的流向。如果你要畫(huà)出一個(gè)串行移位寄存器，假如數(shù)據(jù)是從左向右移動(dòng)的，驅(qū)使數(shù)據(jù)移動(dòng)的時(shí)鐘信號(hào)就要從右往左連接，這樣才能避免實(shí)際系統(tǒng)上的信號(hào)時(shí)延所帶來(lái)的錯(cuò)誤，而把這個(gè)電路在PCB上實(shí)現(xiàn)的時(shí)候，也要真實(shí)的表達(dá)出這一點(diǎn)來(lái)。電源系統(tǒng)中不用考慮時(shí)延這樣的問(wèn)題，但各種電流所帶來(lái)的影響卻是不得不考慮的，設(shè)計(jì)的過(guò)程就是不斷考察電流路徑及其變化的過(guò)程，要把每一個(gè)環(huán)節(jié)及其影響都要考慮到。我在入行早期為一家來(lái)自中國(guó)臺(tái)灣的廠商提供設(shè)計(jì)服務(wù)時(shí)，每次返回來(lái)進(jìn)行審查的圖紙也都標(biāo)注出了PCB的設(shè)計(jì)事項(xiàng)，其中沒(méi)有一句話，但從圖形上就能知道要如何做，大概由于這個(gè)原因，他們的PCB從來(lái)不需要找我?guī)椭{(diào)試修改。

轉(zhuǎn)載自?RichtekTechnology。