一种低功耗电源管理电路设计方案

屋檐下的龙卷风 发表于 2020-09-10 17:07:53 收藏 已收藏
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一种低功耗电源管理电路设计方案

屋檐下的龙卷风 发表于 2020-09-10 17:07:53
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方案选择

在使用手持机时候必须对电源进行有效的管理,节约电源,降低功耗,延长电池的寿命,常用电源管理方案有低功耗管理方案和系统断电管理方案。

1. 低功耗管理方案

低功耗方案即为在系统不需要测量的时候,让MCU处于深度睡眠,并且关闭FPGA的PLL时钟输出,并且采用三极管关闭液晶以及一些外围电路的电源,这样系统总电流理论上能小于1mA。但是激光测距仪长时间是处于未测量状态,即使电流非常小,时间累计也会消耗很多电流,造成电池使用时间缩短,这种方式显然不是最好的方式。

2. 系统断电管理方案

系统断电管理方案即为对整个系统电源进行自动控制,当系统未测距时间超过10s,那整个系统的供电系统就会关闭,这样整个系统消耗的电流几乎为0mA(电源管理的开关MOS管需要消耗微小的静态电流)。

综合上述两种因素,采用系统断电管理方案显得更加省电,更适合激光测距仪这种手持机。

1.1.2 总电源控制方案分析

整个电源管理电路由核心供电开关电路和电源转换电路组成,核心供电开关电路如图3.1所示。主要负责总电源的开启和关断,整个电路通过外部按键K3和MCU的管脚对电源实现控制。

电路分析主要分析整个电路工作流程,以及K3按键按下与弹起各个电路动作等。以及器件选型方法。

图3.1 9V电源管理电路

整个电路工作分为四个个阶段:K3按键未按下、K3按键按下、K3按键弹起、MCU续电10s。

1. K3按键未按下

当K3未按下时候,电池电源未导通,如图3.1所示,在图中标注点2的电压由于电阻R17下拉,此时为低电平,因此N沟道MOS管Q2处于关断状态,此时标注点3的电压由于电阻R14的上拉,此时为9V高电平,P沟道MOS管Q1处于关断状态,因此总电源SW_9V此时电压为0V,整个系统处于断电状态。

2. K3按键按下

当K3按键按下的时候,电池电源导通,标注点2的电压由于R16和R17分压,此时电压为4.5V,VGS=4.5V满足Q2管的导通电压,Q2管导通后,标注点3相当于接地,电压为0,VGS=-9V满足Q1管的导通电压,因此,当Q1管导通后SW_9V获得电池电源的9V电压,整个系统上电。

3. K3按键弹起

当系统上电后,MCU初始化完成后,立即对电路进行续电,即MCU输出PWR_CTL为高电平,当K3弹起后,电池通路断开,由于PWR_CTL为高电平,VGS=3V因此Q2管还是处于导通状态,Q1管也处于导通状态,因此,整个系统进入MCU续电状态。

4. MCU续电10s

MCU续电过程中通过MEAS_KEY持续检测K3是否按下,如果K3按下,开启新一次测量,那定时10s关机时间清零,重新定时10s。当10s内没有再次按下K3那MCU输出PWR_CTL为低电平,Q2管的VGS=0V,Q2管关断,此时标注点3由于上拉变回9V,Q3管的VGS=0V,Q3管也关断,SW_9V为0V,整个系统断电。

通过以上的4个步骤完成对总电源的智能管理,当整个系统断电的情况下,只有MOS管Q1和9V相接,由于Q1此时处于关断状态,整个系统耗电等于Q1此时的静态关断电流,由2SJ355数据手册得知,现在消耗电流小于10uA,因此,整个系统消耗电流是非常微小的,实现了超低功耗管理方案。

5. 关键器件选型

总电源开关电路中,最重要的为二极管D3,MOS管Q2选型,由于本设计中需要MCU输出高电平对Q2管进行续电,为了防止K3按键按下时候的4.5V高电平损害到MCU的IO口,因此需要加上二极管D3,当MCU需要输出高电平3.3V对Q2进行续电情况下,如果采用普通二极管,经过二极管后压降为0.7V,这样造成VGS=2.6V,不能完全打开一般的MOS管,因此,在本设计中,采用的是低压降0.3V的二极管MBR0520以及VGS=2.5V导通的MOS管2N7002。

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