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基于ATmega16L的便携设备电源系统设计

作者:时间:2012-12-20来源:网络收藏

摘要:为满足目前系统的需求,提出一种基于为控制核心的,利用高性能、低功耗的ATmega 16L作为检测和控制核心,配以电池充放电电路、DC/DC变换电路、外部适配器和锂电池组等,实现了灵活性高、功能完备的系统。
关键词:;电源;

随着科技的进步,便携设备应用日益普遍,这些设备给我们的工作和生活带来越来越多的便利,同时,其对内部的电源系统提出更高的要求。便携设备一般需要满足市电和蓄电池两种供电方式,完成蓄电池的充放电控制和电池剩余电量的估算;需要与嵌入式主板进行开关机交互和数据交互;需要具备体积小、重量轻、效率高等特点。虽然针对笔记本和手机产品有成熟的电源方案,但是一般仅适用于小功率的场合,对于专业的便携设备缺乏适应性。
在上述背景下,急需设计一款较大功率,具备以上功能特点的电源系统,从而满足一般便携设备对电源的需求。

1 电源系统总体设计
本系统以微控制器为检测和控制的核心,包括适配器、电池组、电池充放电模块、DC/DC变换等功能模块。系统的总体框图如图1所示。

本文引用地址:http://www.eepw.com.cn/article/175960.htm

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电池组电压、电流、温度等信息通过电压采样、电流采样和温度测量电路,进入微控制器A/D。微控制器作为数据处理和控制的核心,一方面实时监控电池组的各项性能指标和状态,一方面根据这些状态参数控制驱动大功率开关,从而控制整个设备的电源供给。根据现场市电存在情况,实现外部适配器供电和内部电池组供电的自动切换。通过外部适配器,可同时实现设备正常供电和电池的充电。系统同时具备RS-232接口,可与嵌入式主板通讯,将电源状态发送给上位机,进行显示。为实现低功耗嵌入式主板的ATX电源接口需求,微控制器利用I/O口与主板的ATX电源接口进行交互,实现了PS_ON信号和PW-OK信号的功能模拟,具备了ATX电源功能。
由于使用了微控制器,使系统具有很大的灵活性,便于实现各种复杂逻辑控制,从而能方便地对系统进行功能扩展和性能改进。

2 电池管理部分
2.1 电池的选择
目前可充电式电源电池主要有以下几种:铅酸电池、镍镉电池、镍氢电池和锂电池。
镍镉电池因含重金属,同时具有能量密度低,充放电寿命短、废弃物难处理等缺点,将会在未来的储能系统所淘汰。而镍氢电池属于碱性电池,单体电压相对较低,而且镍镉电池,镍氢电池均具有“记忆效应”,长期不彻底充放电,电池内易留下痕迹,降低电池容量。
近年来,越来越多的产品采用锂离子电池作为主要电源,主要是由于锂离子电池具有体积小,能量密度高,无记忆效应,循环寿命高,自放电率低等优点。
本电源系统选择三洋柱状18650型号的锂电池,单节电池容量可以达到2.2 Ah,利用4串4并的组合方式,电池组具备130 WH的能量,使便携设备具备一定的续航能力。
2.2 核心控制芯片介绍
从低功耗、低成本设计角度出发,微控制器采用Atmel的高性能、低功耗的微控制器作为检测与控制核心。是基于RISC结构的高性能、低功耗8位CMOS微控制器,内部带有16 kB的系统内可编程Flash,512B EEPROM,1KB SRAM,3个具有各自分频和比较模式的定时器/计数器,8路10位ADC,可编程串行USART,一个SPI串行端口,具有片内振荡器的可编程看门狗定时器,6个可以通过软件进行选择的省电模式,32个通用I/O口线,工作电压为2.7~5.5V。由于其先进的指令集以及单时钟周期指令执行时间,数据吞吐率高达1MIPS/MHz从而可以优化系统功耗和处理速度之间的关系。
根据系统需要,微控制器使用到的外围接口包括电池、适配器电压和电流检测的A/D转换接口,对充电芯片监控的I/O接口,充放电大功率MOS栅极控制的I/O接口,开关机和显示控制的I/O接口,与主板间通讯的USART接口等。
2.3 充电方案
充电采用凌特公司(Linear Technology)的LTC4006芯片,具有高达4 A充电电流的2到4节锂离子电池充电器,它包括了构成简单独立的高功率电池充电器系统所必需的I/O状态信号。能提供充电结束的输出信号和墙上适配器检测功能,以及用于电量检测的充电电流值指示器。由6 V~28 V的电源供电时,其同步DC/DC降压工作模式允许高达96%的工作效率,具有电池温度监视器以及过压和过流保护功能。充电电压准确度为±0.8%,充电电流可用电阻来编程至±4%的典型准确度。为指示电量,一个专用功能部件将此充电电流表示为微控制器或A/D转换器的电压。用电阻可根据使用电池组的总容量,设置总充电时间为1~3 h,并具有自动再充电和涓流充电功能。


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