【導(dǎo)讀】銷售終端POS（Point of Sale）是可以通過與金融機(jī)構(gòu)聯(lián)網(wǎng)來實(shí)現(xiàn)非現(xiàn)金消費(fèi)、預(yù)授權(quán)、查詢余額、轉(zhuǎn)賬等功能的電子設(shè)備，通常會(huì)安裝在商戶端。而智能POS（Smart Point of Sale）對比于傳統(tǒng)POS，不僅能實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)POS的刷卡支付，而且還包括掃描二維碼支付和驗(yàn)證會(huì)員卡券等功能。正因?yàn)檫@些新功能的增加，必然帶來了新需求。而本文章首先會(huì)介紹智能POS在市場上的行業(yè)發(fā)展趨勢，然后會(huì)介紹整體的系統(tǒng)解決方案，并根據(jù)系統(tǒng)框圖的功能模塊逐一介紹TI的明星產(chǎn)品和優(yōu)勢。
根據(jù)2019智能POS產(chǎn)業(yè)發(fā)展報(bào)告和尼爾森報(bào)告，2016-2019年全國聯(lián)網(wǎng)POS保有量分別為2453、3118、3414和3089萬臺(tái)，三年的年均復(fù)合增長率（CAGA）為8%，增長較為緩慢，在2018至2019年甚至出現(xiàn)有所下滑。而2016-2019年全國智能POS保有量為100、240、600、1166萬臺(tái)，三年CAGA達(dá)到了驚人的127%，并且智能POS在聯(lián)網(wǎng)POS中占比也從2016年的4%迅速增至2019年的37.6%。由此可見，智能POS在以極為兇猛的速度替換傳統(tǒng)POS，而這也迎合了用戶對智能POS功能多樣化的需求。
智能POS硬件上通常具有以下七大關(guān)鍵功能模塊：
● 電池管理模塊：充電器實(shí)現(xiàn)電池的快充，特殊功能包括路徑管理和OTG等；TI電量計(jì)通過阻抗跟蹤方法對電池電量進(jìn)行精確監(jiān)測。
● 電壓轉(zhuǎn)換模塊：對輸出電壓進(jìn)行降壓或升壓轉(zhuǎn)換，進(jìn)而給MCU和外設(shè)等供電。
● 打印機(jī)模塊：實(shí)現(xiàn)小票打印功能，支持缺紙檢測、自動(dòng)上紙和自動(dòng)糾偏等。
● 充電底座模塊：多種端口實(shí)現(xiàn)拓展功能，連接RS-232接口等。
● LED背光驅(qū)動(dòng)模塊：通過PWM調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)對智能POS屏幕亮度的調(diào)節(jié)。
● 音頻模塊：根據(jù)環(huán)境噪音不同，對功放的增益進(jìn)行調(diào)節(jié)進(jìn)而調(diào)節(jié)語音播放音量。
● 處理器模塊：低功耗，多核性能強(qiáng)大，連接藍(lán)牙和Wi-Fi等無線產(chǎn)品。
圖1展示了智能POS的簡易系統(tǒng)框圖。除此之外，TI官網(wǎng)上還有臺(tái)式POS等的參考設(shè)計(jì)。
圖1
下面會(huì)分別從電池管理、打印機(jī)和電壓轉(zhuǎn)換三個(gè)關(guān)鍵功能模塊介紹TI主推的明星產(chǎn)品和優(yōu)勢。
1. 電池管理模塊
a) 充電器Charger:
BQ25611D：針對單節(jié)鋰電池（3.5-4.5V電壓）可提供3A快充、IIC接口、集成了USB輸入源檢測等功能。圖2展示了BQ25611D內(nèi)部的功能模塊，BQ25611D的主要優(yōu)勢如下：
● D+/D-檢測和IIC控制接口：當(dāng)插入適配器后，會(huì)對輸入源進(jìn)行檢測，并進(jìn)行最大輸入電流限制。通過IIC接口可在檢測了輸入源后，通過Host重新給IINDPM寄存器進(jìn)行編程修改充電電流，實(shí)現(xiàn)非標(biāo)適配器3.2A輸入電流，滿足智能POS客戶對非標(biāo)適配器快充需求。
● 支持路徑管理，給放電過多電池進(jìn)行充電；支持USB On-the-Go，將電池電壓升壓到4.6/4.75/5/5.15V從而給智能POS的其他外設(shè)，例如鍵盤等，進(jìn)行充電。
● 智能POS通常待機(jī)時(shí)間長，低至9uA的靜態(tài)電流使得電池壽命得以延長。
圖2
b）電量計(jì)：
BQ27426：針對單節(jié)電池進(jìn)行電量監(jiān)測，只需少量的用戶配置和系統(tǒng)微控制器固件開發(fā)工作，就可以快速啟動(dòng)系統(tǒng)，降低設(shè)計(jì)開發(fā)難度，并且性價(jià)比極高。并具有以下優(yōu)勢：
● TI專利阻抗跟蹤算法進(jìn)行電量監(jiān)測，電壓偏移小于5mV，對容量百分比（SOC）進(jìn)行預(yù)測的誤差一般在1.5%以內(nèi)，對比基于電壓的電量監(jiān)測的20mV電壓偏移/15%的最大SOC誤差來說精確度得到了極大提升，從而延長智能POS運(yùn)行壽命。
● 給電池最大電壓為4.2/4.35/4.4V提供了三種可選的預(yù)編程配置文件，簡化配置難度。
● 內(nèi)部集成了1.8V的LDO直接供電，無需外置LDO。
● 400 kHz 的IIC 標(biāo)準(zhǔn)兩線通信，同時(shí)內(nèi)部有完整的CPU和電池電量軟件，無需對電池算法和軟件進(jìn)行開發(fā)，減小開發(fā)難度。
● BIN管腳針對智能POS電池包的更換進(jìn)行檢測。
2. 打印機(jī)模塊
a）電機(jī)驅(qū)動(dòng)：
DRV8833C 是DRV8833 的低成本方案，麻雀雖小，五臟俱全，而且價(jià)格極為低廉，對于智能POS本身對成本控制要求較高來說極為匹配。主要性能如下：
● 帶電流控制的雙路H橋來驅(qū)動(dòng)雙極性步進(jìn)電機(jī)；簡易的PWM接口實(shí)現(xiàn)電機(jī)的轉(zhuǎn)向、轉(zhuǎn)速和剎車等功能，使得智能POS的電機(jī)可以自動(dòng)上紙和自動(dòng)糾偏等功能。
● 寬電源電壓2.7至10.8V范圍，通常選取和打印機(jī)一樣的電壓，例如8V，能實(shí)現(xiàn)快速出紙功能；每個(gè)H橋能驅(qū)動(dòng)700mA的RMS電流，滿足普通雙極性步進(jìn)電機(jī)需求。
● 在智能POS進(jìn)行出紙等打印功能出現(xiàn)故障時(shí)，DRV8833C具有UVLO、OCP、TSD和nFAULT的保護(hù)特性。
● 在不使用步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行出紙時(shí)，電機(jī)驅(qū)動(dòng)有1.6uA的低電流睡眠模式，降低損耗。
圖三和圖四展示了DRV8833C在整步下且電流調(diào)節(jié)限制在600mA時(shí)，步進(jìn)電機(jī)其中一相的輸出電流（紫色）和電壓（黃色）波形。電機(jī)為42系列步進(jìn)電機(jī)，步距角1.8°，額定電壓9V。
圖三
圖四
從圖三中可以觀察到，在電機(jī)的驅(qū)動(dòng)階段，電機(jī)的輸出電壓（黃色）持續(xù)導(dǎo)通，導(dǎo)致輸出電流（紫色）持續(xù)拉高。而當(dāng)輸出電流增加到了600mA的電流限制值時(shí)（見圖四），就進(jìn)入了慢衰減（Slow decay）模式實(shí)現(xiàn)續(xù)流。當(dāng)達(dá)到了慢衰減的關(guān)斷時(shí)間節(jié)點(diǎn)后，輸出電流會(huì)繼續(xù)拉高，按照這個(gè)規(guī)律形成了圖四的三角波波形。在慢衰減模式下，輸出電流的紋波較小。
b）升壓芯片：
通常來說，智能POS中打印機(jī)也需要進(jìn)行供電，例如8V/3A，加上電機(jī)驅(qū)動(dòng)所需的8V/0.6A，所以系統(tǒng)中需要一個(gè)8V/4A/32W的輸入源。而在圖1中的系統(tǒng)框圖中，需要得到一個(gè)32W的輸出，我們只能從充電器的系統(tǒng)端提供。所以在充電器的系統(tǒng)端到打印機(jī)模塊我們需要一顆升壓芯片。
TPS61088 以實(shí)現(xiàn)輸入4V/10A到輸出8V/4A的升壓芯片，具有以下優(yōu)勢：
● 全集成同步升壓轉(zhuǎn)換器，效率可達(dá)91%，專門針對便攜式系統(tǒng)提供高效小尺寸解決方案。
● 輕載下可選PFM和強(qiáng)制PWM模式，PFM實(shí)現(xiàn)高效，強(qiáng)制PWM實(shí)現(xiàn)固定頻率。
● 可調(diào)開關(guān)頻率200kHz至2.2MHz，可設(shè)計(jì)尺寸較小的電感。
● 13.2V輸出OVP、OCP和TSD保護(hù)。
3. 電壓轉(zhuǎn)換模塊
a）LDO:
TLV740P 是一款輸入電壓范圍1.4至5.5V，固定輸出電壓范圍1至3.3V。同時(shí)具有卓越的負(fù)載動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能，50uA低靜態(tài)電流，1kHz下PSRR高達(dá)65db，專為對Power-sensitive應(yīng)用而設(shè)計(jì)。除此之外，價(jià)格也極為低廉。所以，TLV740P極為適合在智能POS中實(shí)現(xiàn)5V轉(zhuǎn)3.3V給MCU供電，5V轉(zhuǎn)1.8V給CMOS傳感器供電。
b）升壓芯片
TPS61023 是一款輸入電壓范圍0.5至5.5V，輸出電壓2.2至5.5V的同步升壓轉(zhuǎn)換器。工作頻率可達(dá)1MHz，設(shè)計(jì)電感尺寸更小，減小單板面積。最大靜態(tài)電流30uA，關(guān)斷電流典型值為0.1uA，所以極為適合智能POS中給外設(shè)供電的應(yīng)用場景（當(dāng)不給外設(shè)供電時(shí)損耗更小）。除此之外，還具有5.7V輸出電壓保護(hù)、輸出短路保護(hù)和熱關(guān)斷保護(hù)，保證智能POS在給外設(shè)供電出現(xiàn)故障時(shí)及時(shí)關(guān)斷芯片。
4. 其他模塊的明星產(chǎn)品
TPS61169 是一款升壓LED背光驅(qū)動(dòng)，內(nèi)部具有一個(gè)40V、1.8A的MOSFET，可針對小型智能POS面板背光照明驅(qū)動(dòng)LED串。并且PWM的頻率可達(dá)1.2MHz來實(shí)現(xiàn)亮度控制, 使得工程師可以設(shè)計(jì)外部電感到較小尺寸。同時(shí)，具有LED開路保護(hù)、欠壓保護(hù)和熱關(guān)斷保護(hù)。
TRS3232E 是一款雙通道最高速率為250kbps的RS-232收發(fā)器。具有正負(fù)15kV的HBM、正負(fù)8kV的Contact Discharge和正負(fù)15kV Air-Gap Discharge的ESD保護(hù)，滿足甚至超出TIA/EIA-232-F和ITU V.28標(biāo)準(zhǔn)的需求。供電電壓3至5.5V。
TPA2011D1 是一款高效無需濾波器的Class-D 功放，可連單聲道的4?/3.24W（5V，10% THDN）的喇叭。集成了300k?的反饋電阻和DAC降噪所需的濾波，進(jìn)而僅需連接3個(gè)外部元器件。同時(shí)，性能上有95%效率、86db PSRR和1.5mA的靜態(tài)電流使得其極為適合于智能POS這種手持的小型設(shè)備。
參考文獻(xiàn)：
● TI阻抗跟蹤電量計(jì)化學(xué)ID獲取方法
● TI電池電量監(jiān)測基礎(chǔ)知識(shí)
● BQ25611D EVM 用戶指南：
● 央行支付體系運(yùn)行數(shù)據(jù)
● DRV8833C EVM
● LDO基礎(chǔ)知識(shí)
● TI開關(guān)電源實(shí)驗(yàn)套件測試方法
● Class-D 功放的功率和電源考慮
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