陈 可

（海军驻桂林地区军事代表室，广西 桂林 541002）

1 前言

随着我国北斗卫星导航事业的快速发展，民用市场的逐步开放，一些导航应用终端已经应用到祖国的相关行业中去，比如公务车监管、车载定位、舰船导航与通信等等。这类设备小型、轻便、精度高、性能优、耗电低、应用范围广，另外在实际应用中各行业提供的供电标准不统一，并且供电电源的电压又不稳定，鉴于这些因素，设计一款宽输入电压范围、转换效率高、输出电压稳定、标准统一且纹波系数低的稳压电源供电系统有一定实际意义，系统支持锂离子电池充电功能。

2 系统结构及工作原理

稳压电源系统主要由稳压部分、充电管理部分和升压部分共三个模块组成。其中稳压部分实现宽输入电压范围的降压、稳压工作，充电管理部分实现锂离子电池的充电管理，便于导航应用终端实时工作，升压部分用来实现锂离子电池的升压，提供稳定的供电电源。系统的基本工作原理是：当外接DC 时，稳压部分将外接DC稳压到5V电压输出，同时使能电源管理部分，锂离子电池开始充电，在充电过程中电源管理芯片负责监控锂离子电池的充电过程，保证锂离子电池的工作安全，与此同时升压部分被控制电路禁能；当外接DC断开时，稳压部分停止工作，控制电路禁能电源管理部分，使能升压部分，使其稳压5V输出；升压部分和稳压部分使用肖特基功率整流开关进行隔离，以防两者之间形成串流。稳压电源系统结构如图1所示。

图1 稳压电源系统结构

3 电源模块的硬件设计

3.1 稳压部分

稳压部分是电源系统的核心部分，主要由开关稳压芯片TPS54560及相应外围元件构成。该芯片是美国德州仪器公司（TI）推出的一款宽输入电压范围（4.5V-60V），输出电流达5A的降压型 DC-DC转换器。芯片具有软启动、欠压保护及Eco-mode，开关频率可调，适用与工业自动化、卫星导航等应用领域。设计原理图如图2所示。

3.2 充电管理部分

在外接DC断开时为了能让导航应用终端继续工作，电源系统设计了锂离子电池充电管理部分。该部分主要采用南京拓微IC公司生产的TP4056线性锂离子电池充电管理芯片，可编程充电电流高达1A，芯片内部为PMOSFET结构，采用恒流恒压工作模式，具有防倒充，对充电电流可进行自动调节功能，在低电流或停机状态下，电池的漏电流降至2uA以下。具体设计原理图如图3所示。

图3 充电管理部分原理图

3.3 升压部分

由于锂离子电池的充电电压固定在4.2V，在锂离子电池供电的情况下，随着供电时长，锂离子电池电量将会逐渐减少，输出电压逐渐下降，这必将导致导航终端工作不稳定。采用美国德州仪器公司（TI）生产的TPS61175开关稳压芯片可得到稳定输出电压。芯片高达93%的转换效率，具有软启动、欠压保护、开关频率可调等功能。设计原理图如图4所示。

图4 升压部分原理图

4 PCB设计与调试

4.1 PCB设计

众所周知，所有电子终端消耗的功率都是来源于前端稳压电源，那么稳压电源中用于稳定电压控制的晶体管、IC稳压器等必须时刻工作在高压、强电流状态下，因此在这种状态下稳压电源功率的损耗和发热问题在所难免了。另外开关稳压器在工作时还会产生严重的噪声，所以要解决上述问题，使稳压电源达到预期的工作性能，PCB的布局和布线至关重要，否则，芯片内部的监管机构将会遭受不稳定或噪声的影响。

本电源系统中由于稳压部分和升压部分使用的都是定频开关技术，相对于变频开关技术而言，其滤波部分还是比较容易设计的，只需将相关LC滤波尽可能靠近芯片IC引脚即可。对于芯片开关SW引脚，由于此引脚涉及到纳秒级的高电流路径，最易收到外界干扰，因此此处的路径要尽可能地短，另外两者的工作频率最好选为一致，防止彼此间产生不必要的噪声干扰。

充电管理部分由于其IC芯片很小，在PCB设计时要特别注意热设计，好的热设计能最大幅度地增加可以使用的充电电流，否则芯片内部自带的热反馈链路将会对充电电流进行自动调节，达到对芯片温度的安全限制。其散热通路就是从芯片到引线架构，再通过芯片底部散热片到达 PCB板的铜面以消耗IC所产生的热量。在PCB布局时，与芯片散热片相连的铜面积应尽可能宽阔，并向芯片外延伸至较大的铜面积以使热量散插到周围环境中，芯片散热片中使用多通孔能利于改善充电芯片整体热性能，锂离子电池的放置对充电管理部分总体温升及最大充电电流也有一定影响。

4.2 模块调试

在原理设计时为了隔离稳压部分和升压部分，使用了肖特基功率整流开关，由于肖特基整流开关导通的电压在0.4-0.5V之间，为了能更好的隔离这两个模块，稳压部分的稳压输出必须要稍大于升压部分的输出，否则隔离无效，导致系统工作不稳定。对于稳压部分通过电阻分压反馈调整其输出为5.05V，升压部分调整为4.95V。

充电电流的大小与充电时长成反比，本充电管理部分使用的TP4056标称工作在大充电电流模式下（700mA以上），但实际充电电流一般都是小于此值，设计时除了 PCB中需要考虑芯片的热设计，在调试时还要考虑在芯片IC电源供应部分增加热耗散电阻，这样可以缩短锂离子电池的充电时间。

控制电路部分主要是由8550三极管和外围分压电阻网络组成，由于充电管理部分和升压部分使用的芯片带有欠压保护功能，因此在设置芯片使能和禁能电压时要注意参考芯片的UVLO（Under Voltage Lockout）。

5 结论

本文根据通用的卫星导航终端对供电电源提出的参数要求，使用了拼接方法来设计了一款宽输入电压范围的稳压电源。通过对开关电源及充电电源管理的相关原理学习，选择出合适的元器件及元器件参数值。在得出系统原理设计图后，对开关电源的 PCB设计进行了一定的分析，并对电源系统做了最后的物理实现，进过实验测试，性能优越，达到设计初期的指标，进一步也验证了本设计方案的正确性。

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