干电池供电系统设计陷阱，你是否也上过当？

2000年8月以前，我一直是以完整的软硬件系统设计为业的，其中有一些短暂的时段混入了化工行业，但也属于技术应用的范畴，拓展了自己的知识面。
回想还在做系统的时候，只要是哪里发现有问题，周围的人就会围上来，看看到底是怎么回事，问题又会怎样被解决，这时候大家的情绪都很高昂，一点不会觉得苦。回想起这样的场景，我才理解了为什么谈问题的文章会被大家更多地关注，但是说句心里话，我更希望诸位看官要多关心基本的原理，它们是不变的规律，谈起来可能没有什么意思，远没有各种各样的问题炫目，但却能让你的眼目不被炫花，永远保持清醒的头脑，遇到问题也不会有火烧眉毛的感觉。

刚入行那会儿的电子产品与今日的完全不一样，传呼机还是很重要的通讯工具，立锜的RT9261在这个领域卖得很好；10万像素和30万像素的数码相机在深圳很火，RT9262是在其中用起来很爽的一款器件，我在DC/DC领域遇到的第一个技术问题就发生在这款器件的应用上，一家客户在此应用上的创新是将其机壳表面喷绒成为很柔和的样子，老板在介绍这一点的时候表现得非常自豪，至今还能清晰地回放在眼前，他们的那位项目管理者则表现得非常能干，让人信赖，后来成为了一名成功的创业者；MP3播放器也在那时候开始成为很火的产品，凌阳成为我们这个领域很好的合作伙伴，我经常穿梭在他们的办公室和代理商之间。

今天的工程师在选用电池的时候，锂离子电池通常都是当然之选，那个时代则是以普通的干电池为主，用碱性电池就算是很奢侈了，但这是消费者的事，系统设计上并无什么区别。普通干电池或碱性电池的容量并不大，单颗AAA规格（7号）碱性电池的容量只有几百mAh，这样的电池用在耗电还很高的MP3上真的坚持不了多久，所以如何省电会成为很重要的话题。

MP3播放器的工作电压一般是3.3V，还有一组2.5V或1.8V为内核部分供电，考虑到体积的缘故，电池一般都会选择单节或双节的，这样就一定会选用Boost作为升压转换器提供3.3V，然后再用LDO生成另一组低电压。极端追求低成本的情况下就不用LDO了，二极管直接上阵，这样就把成本降下来了，但这一招并不是仅仅出现在MP3这项应用中，光碟播放器里面也有，我们作为电源工程师当然会反对这么做，但你不能对抗市场的力量，它们都是进入残酷阶段以后的战术。

为了省电，电源转换器在MP3播放器不工作的时候也是不工作的，需要工作的时候就需要按下某个按键使Boost转换器的使能端变成高电平让Boost开始工作，MCU得到正常电源供应以后开始运行，它再给出一个维持供电的信号使Boost转换器总是处于使能状态，工作状态得以自动维持。等到系统不需要工作了，MCU将维持供电的信号撤掉，自身进入待机状态，Boost转换器停止工作，系统的消耗就降到了最低，电池电量得以有效维持，从而确保其使用时间最长化。（说得这么详细了，喜欢研究的初学者可以尝试把图出来，所涉器件可以是RT9266+RT9166，这都是当年的明星IC，现在仍然常被使用。）

即使待机功耗最小化，那时候的MP3播放器的电池使用时间也是很短的，所以有的人就会研究新的做法。在凌阳的代理商中，有一家位于中山，他们有一位很好的工程师，后来成了我长期的朋友，现在则是一位企业家，也是一位很有创新精神的人，他让MP3播放器的电池使用时间达到了最大化。他是怎么做的呢？降低系统工作电压。我们都知道负载所消耗的功率是电流乘以电压，只要降低了电压，功耗就直接降低了，Boost的升压比下降，其转换效率也会有所提高，而他发现系统工作电压的下限大约在2.8V左右，于是就将工作电压设定到了这里，如果在生产中发现哪台机子因为电压太低而不能正常工作，产线上的工人就将Boost转换器的反馈电阻调换一下，让机子能够正常起来，这样就将所有机子的电池利用效率都最大化了。实际上，这位朋友的电压设定点选得非常好，生产中需要更换电阻的几率只有千分之一，对生产效率的影响非常小。

受结构的限制，很多使用干电池供电的系统会把电池放在物理结构的中央，它的周围就是PCB。这样的结构常常会给PCB设计带来一个陷阱，没有经验的人很容易就会陷进去，下面我用原理图加准实物的方式来对此进行呈现：

图中标注为SW的MOSFET开关就是Boost转换器的功率开关，它在下图所示的原理图中位于RT9266的LX和GND之间：

在这样的设计中，由于开关电流、续流电流、负载电流混杂一处，Boost转换器很容易就处于不稳定的工作状态，几乎没有哪一款设计能够顺利地走入生产阶段，样机测试中就会被否决掉。

那么要如何做才是对的呢？作为设计师必须不怕麻烦，该拉的线还是要拉的，即便是会让你的PCB设计或结构设计麻烦一点。好的设计大概会这样做：

电路图上能不能表达出PCB要如何设计的想法呢？可以的。我在早年学习绘图标准的时候，就要在电路图上表达出信号的流向。如果你要画出一个串行移位寄存器，假如数据是从左向右移动的，驱使数据移动的时钟信号就要从右往左连接，这样才能避免实际系统上的信号时延所带来的错误，而把这个电路在PCB上实现的时候，也要真实的表达出这一点来。电源系统中不用考虑时延这样的问题，但各种电流所带来的影响却是不得不考虑的，设计的过程就是不断考察电流路径及其变化的过程，要把每一个环节及其影响都要考虑到。我在入行早期为一家来自中国台湾的厂商提供设计服务时，每次返回来进行审查的图纸也都标注出了PCB的设计事项，其中没有一句话，但从图形上就能知道要如何做，大概由于这个原因，他们的PCB从来不需要找我帮助调试修改。

转载自 RichtekTechnology。