【導(dǎo)讀】本文從實(shí)用角度出發(fā)， 設(shè)計(jì)了一種基于硬件架構(gòu)和軟件控制的便攜式設(shè)備智能電源模塊解決方案。該方案充電速度快、充電電流易調(diào)、成本低。實(shí)驗(yàn)和測(cè)試結(jié)果表明， 該方案完全能夠滿足系統(tǒng)需要， 并且該電源模塊具備可見性、可控性和節(jié)能性。
實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明， 該電源模塊接口豐富、控制靈活， 具有通用性。
環(huán)境測(cè)試儀是指能夠測(cè)量溫度、濕度、壓力、風(fēng)速等環(huán)境參數(shù)的儀器。為了滿足各種復(fù)雜地理環(huán)境下的測(cè)試需求， 測(cè)試儀迫切需要小型化和便攜式。為了保持與現(xiàn)有軟件的最大兼容性， 我們選用PC104 的系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)了便攜式的測(cè)試儀。PC104 是IBM PC 兼容工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的架構(gòu)體系。PC104 主板對(duì)電源系統(tǒng)要求較高， 設(shè)計(jì)選用工業(yè)級(jí)的PC104 電源板， 此電源板支持寬范圍輸入( DC8~ 36 V) ， 效率高達(dá)96 % 。為了滿足便攜性， 系統(tǒng)必須支持電池組供電( 鋰電池組或鉛酸蓄電池組等) ， 由于鋰電池組具有單節(jié)電池標(biāo)稱電壓高、自放電率低、質(zhì)量能量密度和體積能量密度高、沒有記憶效應(yīng)等優(yōu)點(diǎn)， 本系統(tǒng)選用鋰電池組供電。本文主要討論了系統(tǒng)供電電路及電池組充電電路的設(shè)計(jì)。
系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)
經(jīng)實(shí)際測(cè)試， 并留出一定裕量， 設(shè)計(jì)選用9 600mAh 12 V 鋰電池組。實(shí)際采用單節(jié)標(biāo)稱電壓3. 7 V，充電限制電壓4. 2 V， 容量2 400 mAh 的鋰電池電芯，三串四并組成電池組， 使用MM1414 芯片完成過充、過放、過流以及短路保護(hù)功能。鋰電池的典型充電算法是恒流與恒壓算法( CC/ CV ) 。根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T18287- 2000 的要求首先恒流充電， 電池電壓隨著充電過程逐步升高， 當(dāng)電池端電壓達(dá)到12. 6 V， 改恒流充電為恒壓充電， 電流根據(jù)電芯的飽和程度， 隨著充電過程的逐步減小， 當(dāng)減小到某個(gè)值時(shí)， 認(rèn)為充電終止。
根據(jù)此標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)選用0. 2 C 倍率恒流充電， 充電倍率達(dá)到0. 01 C 時(shí)認(rèn)為充電結(jié)束， 即分別對(duì)應(yīng)電流約為2A 和100 mA。根據(jù)以上要求設(shè)計(jì)系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)， 具體如圖1 所示。
圖1：系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
系統(tǒng)使用直流18~ 30 V 輸入， 可以直接使用筆記本電源。D1 用于防止電源方向插反。12. 6 V/ 2 A 恒壓限流電路為本電路核心， 在輸出電壓低于12. 6 V 時(shí)工作在2 A 恒流狀態(tài)， 當(dāng)輸出電壓達(dá)到12. 6 V 時(shí)， 使輸出電壓恒定。D2、D3 和C1 完成電源切換功能。外部電源供電時(shí)， 由于P 端電壓總是保持在12. 6 V 以上， S 端通過外部電源供電， 若無外部電源時(shí)， 由于電池電壓比P 端的電壓高， 則通過電池對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行供電。穩(wěn)壓電路主要負(fù)責(zé)將S 端的電壓轉(zhuǎn)換為系統(tǒng)所需的各種電壓。ADC1 和A DC2 分別為電流和電壓采集端， ADC1 和ADC2 端的信號(hào)經(jīng)過OP 電路放大， 然后輸入到ADC 電路， MCU 把各種相關(guān)數(shù)據(jù)通過RS232傳送到PC104 系統(tǒng)。R4 和D4 完成供電狀態(tài)的檢測(cè)，用于檢測(cè)系統(tǒng)是外部電源供電還是電池供電， 使系統(tǒng)自動(dòng)調(diào)整自動(dòng)關(guān)機(jī)或自動(dòng)待機(jī)的等待時(shí)間。電路同時(shí)提供聲光方式的報(bào)警及顯示功能， 當(dāng)出現(xiàn)電壓過低等情況時(shí)， 能以比較醒目的方式進(jìn)行提醒。PC104 電源板和PC104 系統(tǒng)是本電路的負(fù)載。電路中D1 、D2 、D3均為肖特基二極管， 肖特基二極管具有正向壓降低、反向恢復(fù)時(shí)間短等優(yōu)點(diǎn); R1 、R2、R3 為1 %精密電阻。
系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
系統(tǒng)工作時(shí)間與電池電量成線性關(guān)系， 而電量與電池端電壓為非線性關(guān)系。圖2 所示為本系統(tǒng)所用電池在2 000 mA 恒流放電的情況下， 電池端電壓與電量的關(guān)系曲線， 其中橫軸為電池電壓， 縱軸為剩余電量相對(duì)于總電量的百分比。根據(jù)此曲線， 在MCU 軟件中擬合一個(gè)電壓與電量關(guān)系的數(shù)據(jù)表， 同時(shí)設(shè)置10 V為告警電壓; 系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)查詢諸如電池電壓、電流、剩余電量、估計(jì)供電時(shí)間等信息， 并同時(shí)仿手機(jī)做成3段式顯示， 使上位機(jī)全面掌握電池狀態(tài)， 決定控制策略， 從而提高系統(tǒng)運(yùn)行可靠性。MCU 軟件使用KeiluV2 軟件開發(fā)， 上位機(jī)軟件使用LabWindow s 軟件開發(fā)。MCU 除完成電量查詢相關(guān)功能， 還要完成報(bào)警與顯示功能; 上位機(jī)軟件同時(shí)要完成環(huán)境參數(shù)的相關(guān)采集與處理。
圖2：電池電壓與電量關(guān)系
系統(tǒng)測(cè)試
將該電路應(yīng)用到實(shí)際系統(tǒng)并進(jìn)行測(cè)試。外部電源為DC20 V， 測(cè)試內(nèi)容及測(cè)試結(jié)果如下:
( 1) 充分放電后進(jìn)行測(cè)試， 5. 1 h 完成充電， 理論充電電流2 000 mA， 理論時(shí)長(zhǎng)4. 8 h， 基本正常;
( 2) 所有數(shù)據(jù)讀取正常， 報(bào)警及顯示功能正常;
( 3) 各電壓值均在指定范圍內(nèi)， 誤差低于 2 %，測(cè)試波形穩(wěn)定;
( 4) 2 A 額定電流工作， 各種芯片溫度正常， 系統(tǒng)工作正常;
( 5) 充滿電后， 可以連續(xù)使用約4 h;
( 6) 外部電源供電時(shí)效率約為85 %， 電池供電效率約為90 %。
經(jīng)測(cè)試， 該電路在性能上完全滿足要求， 并同時(shí)可以做到對(duì)電池狀態(tài)準(zhǔn)確和實(shí)時(shí)了解。
本文從實(shí)用角度出發(fā)， 設(shè)計(jì)了一種基于硬件架構(gòu)和軟件控制的便攜式設(shè)備智能電源模塊解決方案。該方案充電速度快、充電電流易調(diào)、成本低。實(shí)驗(yàn)和測(cè)試結(jié)果表明， 該方案完全能夠滿足系統(tǒng)需要， 并且該電源模塊具備可見性、可控性和節(jié)能性。由于該電路軟硬件均具有可裁剪性， 所以該電路適用于各種便攜式嵌入式系統(tǒng)等對(duì)體積和重量要求較高的應(yīng)用場(chǎng)合。
