為滿足目前便攜設(shè)備對電源系統(tǒng)的需求，提出一種基于微控制器為控制核心的便攜設(shè)備電源系統(tǒng)方案，利用高性能、低功耗的ATmega 16L微控制器作為檢測和控制核心，配以電池充放電電路、DC／DC變換電路、外部適配器和鋰電池組等，實現(xiàn)了靈活性高、功能完備的電源系統(tǒng)。

隨著科技的進步，便攜設(shè)備應用日益普遍，這些設(shè)備給我們的工作和生活帶來越來越多的便利，同時，其對內(nèi)部的電源系統(tǒng)提出更高的要求。便攜設(shè)備一般需要滿足市電和蓄電池兩種供電方式，完成蓄電池的充放電控制和電池剩余電量的估算；需要與嵌入式主板進行開關(guān)機交互和數(shù)據(jù)交互；需要具備體積小、重量輕、效率高等特點。雖然針對筆記本和手機產(chǎn)品有成熟的電源方案，但是一般僅適用于小功率的場合，對于專業(yè)的便攜設(shè)備缺乏適應性。
在上述背景下，急需設(shè)計一款較大功率，具備以上功能特點的電源系統(tǒng)，從而滿足一般便攜設(shè)備對電源的需求。

1 電源系統(tǒng)總體設(shè)計
本系統(tǒng)以微控制器為檢測和控制的核心，包括適配器、電池組、電池充放電模塊、DC／DC變換等功能模塊。系統(tǒng)的總體框圖如圖1所示。

電池組電壓、電流、溫度等信息通過電壓采樣、電流采樣和溫度測量電路，進入微控制器A／D。微控制器作為數(shù)據(jù)處理和控制的核心，一方面實時監(jiān)控電池組的各項性能指標和狀態(tài)，一方面根據(jù)這些狀態(tài)參數(shù)控制驅(qū)動大功率開關(guān)，從而控制整個設(shè)備的電源供給。根據(jù)現(xiàn)場市電存在情況，實現(xiàn)外部適配器供電和內(nèi)部電池組供電的自動切換。通過外部適配器，可同時實現(xiàn)設(shè)備正常供電和電池的充電。系統(tǒng)同時具備RS-232接口，可與嵌入式主板通訊，將電源狀態(tài)發(fā)送給上位機，進行顯示。為實現(xiàn)低功耗嵌入式主板的ATX電源接口需求，微控制器利用I／O口與主板的ATX電源接口進行交互，實現(xiàn)了PS_ON信號和PW-OK信號的功能模擬，具備了ATX電源功能。

由于使用了微控制器，使系統(tǒng)具有很大的靈活性，便于實現(xiàn)各種復雜邏輯控制，從而能方便地對系統(tǒng)進行功能擴展和性能改進。

2 電池管理部分

2．1 電池的選擇

目前可充電式電源電池主要有以下幾種：鉛酸電池、鎳鎘電池、鎳氫電池和鋰電池。

鎳鎘電池因含重金屬，同時具有能量密度低，充放電壽命短、廢棄物難處理等缺點，將會在未來的儲能系統(tǒng)所淘汰。而鎳氫電池屬于堿性電池，單體電壓相對較低，而且鎳鎘電池，鎳氫電池均具有“記憶效應”，長期不徹底充放電，電池內(nèi)易留下痕跡，降低電池容量。

近年來，越來越多的產(chǎn)品采用鋰離子電池作為主要電源，主要是由于鋰離子電池具有體積小，能量密度高，無記憶效應，循環(huán)壽命高，自放電率低等優(yōu)點。

本電源系統(tǒng)選擇三洋柱狀18650型號的鋰電池，單節(jié)電池容量可以達到2．2 Ah，利用4串4并的組合方式，電池組具備130 WH的能量，使便攜設(shè)備具備一定的續(xù)航能力。

2．2 核心控制芯片介紹

從低功耗、低成本設(shè)計角度出發(fā)，微控制器采用Atmel的高性能、低功耗的ATmega16L微控制器作為檢測與控制核心。ATmega16L是基于RISC結(jié)構(gòu)的高性能、低功耗8位CMOS微控制器，內(nèi)部帶有16 kB的系統(tǒng)內(nèi)可編程Flash，512B EEPROM，1KB SRAM，3個具有各自分頻和比較模式的定時器／計數(shù)器，8路10位ADC，可編程串行USART，一個SPI串行端口，具有片內(nèi)振蕩器的可編程看門狗定時器，6個可以通過軟件進行選擇的省電模式，32個通用I／O口線，工作電壓為2．7～5．5V。由于其先進的指令集以及單時鐘周期指令執(zhí)行時間，數(shù)據(jù)吞吐率高達1MIPS／MHz從而可以優(yōu)化系統(tǒng)功耗和處理速度之間的關(guān)系。

根據(jù)系統(tǒng)需要，微控制器使用到的外圍接口包括電池、適配器電壓和電流檢測的A／D轉(zhuǎn)換接口，對充電芯片監(jiān)控的I／O接口，充放電大功率MOS柵極控制的I／O接口，開關(guān)機和顯示控制的I／O接口，與主板間通訊的USART接口等。

2．3 充電方案

充電采用凌特公司(Linear Technology)的LTC4006芯片，具有高達4 A充電電流的2到4節(jié)鋰離子電池充電器，它包括了構(gòu)成簡單獨立的高功率電池充電器系統(tǒng)所必需的I／O狀態(tài)信號。能提供充電結(jié)束的輸出信號和墻上適配器檢測功能，以及用于電量檢測的充電電流值指示器。由6 V～28 V的電源供電時，其同步DC／DC降壓工作模式允許高達96％的工作效率，具有電池溫度監(jiān)視器以及過壓和過流保護功能。充電電壓準確度為±0．8％，充電電流可用電阻來編程至±4％的典型準確度。為指示電量，一個專用功能部件將此充電電流表示為微控制器或A／D轉(zhuǎn)換器的電壓。用電阻可根據(jù)使用電池組的總?cè)萘?，設(shè)置總充電時間為1～3 h，并具有自動再充電和涓流充電功能。

選用直流輸出為19．8 V的適配器，滿足LTC4006對輸入電壓6～28 V的要求。利用外部適配器作為充電電源，在ATmega16L和LTC4006芯片的配合下可以實現(xiàn)對電池組的充電管理。LTC4006應用電路如圖2所示。

圖中，MP1和MP2兩個PMOS(Si4425)背對背反向串聯(lián)，組成理想開關(guān)，MCU的I／O口PDS_G通過三極管進行觸發(fā)控制。通過此理想開關(guān)，徹底杜絕了由于MOS管寄生二極管造成的電池側(cè)電壓反串到適配器輸入側(cè)情況。適配器輸入DC_IN經(jīng)過開關(guān)后，作為電池充電BUCK電路的輸入。最大充電電流可以通過R39和R40的阻值方便設(shè)定，同時，充電電流可以通過LTC4006的IMON引腳進入MCU的A／D口進行實時監(jiān)視。當MCU檢測到適配器電壓滿足充電要求的時候，通過控制LTC4006的3引腳ACP／SHDN實現(xiàn)充電起始和終止的控制，同時，充電狀態(tài)可以通過2引腳／CHG進行監(jiān)視。

2．4 電池剩余電量估算

由于電池在充放電過程中表現(xiàn)出高度非線性，對其很難建立準確的數(shù)學模型。而電池的SOC和很多因素相關(guān)(如溫度、前一時刻充放電狀態(tài)、極℃化效應、電池壽命等)，這樣就給SOC實時在線估計帶來了很大的困難。

目前同內(nèi)外常用的估計電池SOC的方法主要有安時積分法、開路電壓法、內(nèi)阻法和卡爾曼濾波法等。

安時積分法存在累積誤差，并受電池自放電影響，需要定期進行完整的充放電過程，進行校正，對于便攜設(shè)備來說，這種操作不方便，在用戶日常使用時不太現(xiàn)實。

開路電壓法，電池組需靜止較長時間達穩(wěn)定狀態(tài)，不滿足在線檢測的要求。

卡爾曼濾波法，算法較復雜，在微控制器上實現(xiàn)較困難。

便攜設(shè)備所要求的剩余電量檢測精度小高，并且負載電流變化小，為了盡量減小設(shè)備的體積和重量，突出設(shè)備的便攜性，采用簡單、有效的剩余電量檢測方法最符合便攜設(shè)備的應用需求。直流內(nèi)阻法，正好能夠滿足以上需求。

鋰電池開路電壓與在負載條件下電池電壓的差值對時間進行積分，然后再除以充放電電流存同時間內(nèi)的積分，即可得到鋰電池的直流內(nèi)阻Rd，用公式表示為：

Rd為電池組直流阻抗；VOC表示電池組開路電壓；Vd為在負載時的電池組電壓；i負載電流。

電池組直流內(nèi)阻等于在同一很短的時間段內(nèi)，電池電壓變化量與電流變化量的比值。實際測量中，將電池從開路狀態(tài)開始恒流放電，相同短時間內(nèi)，負載電壓和開路電壓的差值除以電流值就是直流內(nèi)阻。由于是恒流放電，每一時刻的剩余電量是已知的，這樣就形成了直流內(nèi)阻與剩余電量的關(guān)系。

利用多組充滿電量的電池組進行多次接近實際系統(tǒng)負載的恒流放電，得到一系列電池空載電壓、電池端電壓和電流數(shù)據(jù)，利用這些數(shù)據(jù)就可以推倒出相應剩余電量和電池組內(nèi)阻對應關(guān)系的平均值，將這些數(shù)據(jù)存儲在MCU的FLASH中，就可以在實際的使用中利用查表的方法確定剩余電量。

2．5 充放電顯示

一般的便攜設(shè)備的電源系統(tǒng)沒有與嵌入式主板進行交互，所以顯示只能通過LED燈粗略顯示充放電狀態(tài)。本電源系統(tǒng)由于采用微控制器方案，可以與嵌入式主板實時通訊，上層應用軟件很容易將充放電狀態(tài)顯示在便攜設(shè)備的顯示屏上，方便使用者了解電源狀態(tài)。

充電過程中，便攜設(shè)備顯示屏上用一個市電插頭的圖標顯示現(xiàn)在是市電供電狀態(tài)，并在設(shè)備上用小LED燈來顯示充電狀態(tài)。放電過程中，在顯示屏上顯示電池圖標，以百分數(shù)實時顯示電池組剩余電量，當剩余電量低于10％時，進行電量提醒。

3 DC／DC電路設(shè)計

對于便攜設(shè)備的電源系統(tǒng)，傳統(tǒng)的一步式電源轉(zhuǎn)換很難達到低壓大工作電流的要求，嵌入式系統(tǒng)二步轉(zhuǎn)換式電源系統(tǒng)的設(shè)計是解決這一問題的一種方法。根據(jù)設(shè)備各模塊所需電源的電壓和電流情況，選擇了凌特公司(Linear Technology)的LTC1628芯片和LTC3780芯片，實現(xiàn)便攜設(shè)備內(nèi)部各模塊所需要的3．3 V、5 V和12 V穩(wěn)壓電源。

LTC1628是高性能降壓式雙開關(guān)穩(wěn)壓控