本 文設(shè)計了一種簡單可行的電源管理系統(tǒng)，通過檢測電源輸出電壓間接獲知電源供電狀態(tài)，當(dāng)移動電源電量不足時，電源管理系統(tǒng)會自動切換各個子系統(tǒng)的工作模式， 從而達到保護電源、降低功耗、保證供電質(zhì)量的目的。此外，作者在硬件上應(yīng)用施密特電路，軟件上采用延時校驗的方法提高了電源管理系統(tǒng)抗干擾能力，保證了電 源監(jiān)控電路的可靠性。

移 動電源的地位在便攜式電子產(chǎn)品研究中歷來十分重要，它是電子設(shè)備的生命源。本文設(shè)計了一種可應(yīng)用于便攜式電子設(shè)備上的電源管理系統(tǒng)，通過對電源電壓進行實 時監(jiān)控，限制非法的大電流放電，并對可能的突發(fā)事故進行預(yù)測，給系統(tǒng)提供電源緊急報警信號，起到了降低整個系統(tǒng)的功率損耗，保護并延長電池使用壽命的重要 作用。

便攜式電子設(shè)備系統(tǒng)構(gòu)成

便攜式電子設(shè)備系統(tǒng)構(gòu)成如圖1所示，圖中AT89S52單片機作為整個系統(tǒng)的主控單元；傳感器和A/D構(gòu)成了整個系統(tǒng)的反饋單元；D/A、伺服驅(qū)動模塊以及執(zhí)行機構(gòu)構(gòu)成了系統(tǒng)的動作實現(xiàn)單元；電源管理系統(tǒng)則為以上所有單元提供能源。以上各個單元的工作模式及相互切換如圖2所示：

1. 待機模式

除主控單元外，其它所有子單元均停止供電。如果在規(guī)定時間內(nèi)用戶沒有執(zhí)行任何操作，則整個系統(tǒng)自動斷電，在斷電之前系統(tǒng)自動復(fù)位，并把斷電原因記錄下來。

2. 電量不足模式

當(dāng)電池電量降到設(shè)定值時，系統(tǒng)轉(zhuǎn)入電量不足模式，從這個模式一開始，電源管理系統(tǒng)一方面禁止對電池可能造成破壞的大電流放電動作，另一方面向用戶發(fā)出報警信息請求充電。如果在規(guī)定的時間里操作者沒有做出充電響應(yīng)，系統(tǒng)轉(zhuǎn)入待機模式。

3. 充電模式

操作者按下充電按鈕，電源開始充電，除主控單元和電源單元外，其它子系統(tǒng)均斷電。當(dāng)充電完成后，所有子系統(tǒng)重新被激活。

4. 工作模式

在工作模式下，所有子單元都處于供電狀態(tài)。

系統(tǒng)的各器件并不是全部由移動電源直接供電，根據(jù)不同電源電壓需要，電源管理系統(tǒng)需要由DC-DC芯片對電池組輸出電壓進行變壓處理。此外，為了提高整個設(shè)備的電源供電質(zhì)量，可以在DC-DC后接入低壓差線形穩(wěn)壓電源器（LDO）。

電源管理系統(tǒng)設(shè)計

1．移動電源的選擇

在便攜式電子產(chǎn)品領(lǐng)域，一般采用化學(xué)電池作為移動電源。理想的電池應(yīng)該具有十分高的能量密度、能夠在放電過程中保持恒定的電壓、內(nèi)阻小以便具有快速放電能力、能夠耐高溫、可充電以及成本低等。但實際上沒有一種電池可同時具備上述優(yōu)點,這就要求設(shè)計人員根據(jù)實際任務(wù)的需要,選擇一種合適的電池?？沙潆婋姵刂饕秀U酸蓄電池和堿性蓄電池兩種。目前使用的鎳鎘(NiCd)、鎳氫(NiMH)和鋰離子(Li-Ion)電池都是堿性電池。

a. 鉛酸蓄電池

鉛酸電池由正負極板、隔板、電解液、安全閥、氣塞、外殼等部分組成。正極板上的活性物質(zhì)是二氧化鉛(PbO2)，負極板上的活性物質(zhì)為海綿狀純鉛(Pb)。電解液由蒸餾水和純硫酸按一定比例配制而成。電池槽中裝入一定密度的電解液后，由于電化學(xué)反應(yīng)，正、負極板間會產(chǎn)生約為2.1V的電動勢。

b. 鎳鎘電池

鎳鎘電池(NiCd)正 極板上的活性物質(zhì)由氧化鎳粉和石墨粉組成，石墨不參加化學(xué)反應(yīng)，其主要作用是增強導(dǎo)電性。負極板上的活性物質(zhì)由氧化鎘粉和氧化鐵粉組成，氧化鐵粉的作用是 使氧化鎘粉有較高的擴散性，防止結(jié)塊，并增加極板的容量?；钚晕镔|(zhì)分別包在穿孔鋼帶中，加壓成型后即成為電池的正負極板。極板間用耐堿的硬橡膠絕緣棍或有 孔的聚氯乙烯瓦楞板隔開。電解液通常用氫氧化鉀溶液。與其它電池相比，NiCd電池的自放電率(即電池不使用時失去電荷的速率)適中，但在使用過程中存在記憶效應(yīng)，這使得電池存儲容量無法被充分利用。

c. 鎳氫電池

鎳氫電池(NiMH)正極板材料為NiOOH，負極板材料為吸氫合金。電解液通常用30%的KOH水溶液，并加入少量的NiOH。隔膜采用多孔維尼綸無紡布或尼龍無紡布等。NiMH電池有圓柱形和方形兩種。

NiMH電池具有較好的低溫放電特性，即使在

d. 鋰離子充電電池

鋰離子電池用LiCoO2復(fù)合金屬氧化物在鋁板上形成陽極，用鋰碳化合物在銅板形成陰極，極板間插入有亞微米級微孔的聚烯烴薄膜隔板，電解液為有機溶劑。

鋰電池易受到過充電、深放電以及短路的損害。單體鋰離子電池的充電電壓必須嚴(yán)格限制。充電速率通常不超過

綜合這幾種電池的優(yōu)缺點，本文選擇鎳氫電池作為便攜式電子設(shè)備的移動電源。鎳氫電池的放電特性參照圖3。

本文選用電池的型號和參數(shù)如表1所示。共使用60節(jié)，每20節(jié)串聯(lián)成一組，三組并聯(lián)；輸出電壓24V；額定容量：Q=2.16X10⁵mAh；電池質(zhì)量：M=

2．電源管理系統(tǒng)構(gòu)成

電源管理系統(tǒng)構(gòu)成如圖4所示，圖中電池模塊由三組鎳氫電池組成，并單獨輸出，即Port1、Port2以及Port3，其中Port1負責(zé)給動作實現(xiàn)單元供電，Port2負責(zé)給反饋單元供電，Port3負責(zé)給主控單元供電。所有供電通道的關(guān)斷都是通過可控硅來實現(xiàn)的。

3．電壓傳感器的設(shè)計

a. 電壓傳感器的功能要求 電源管理系統(tǒng)啟動后，電壓傳感器對電源電壓進行實時監(jiān)測，當(dāng)電源電量降低到設(shè)定值時，電壓傳感器能夠發(fā)送TTL電平信號到單片機，通知單片機電源電量不足。

b. 電壓傳感器原理

從前面鎳氫電池放電特性可以看出，隨著電池電量的降低，電池的輸出電壓會相應(yīng)的降低。因此，只要對電源的電壓進行監(jiān)測，就可以間接對電源的電量進行監(jiān)測。

如圖5所示，電壓傳感器核心是一片LM339-四電壓比較器，通過電阻R₁和R₂對電池電壓進行采樣，然后將采得的信號輸入比較器的負輸入端。當(dāng), 電源電量降到電壓傳感器設(shè)定值V_ref時，LM339就會觸發(fā)輸出TTL電平信, , 號，并將這些信號直接傳送給單片機的I/O口，單片機通過對這些信號分析處理判斷電源電量是否不足。如果不足，單片機會通過放大電路控制可控硅關(guān)斷，進而切換各個子系統(tǒng)的工作模式。由于LM339有四個獨立的比較器，所以理論上它可以同時對四組電池進行監(jiān)控，本文只用到其中的三個。

提高電源管理系統(tǒng)抗干擾能力

鎳氫電池在放電過程中，當(dāng)負載驟然增大的時候，會引起電壓暫時性急劇下降，這時電池電量可能沒有低到需要充電的值比較器就觸發(fā)了，這種負載干擾會嚴(yán)重影響電源管理系統(tǒng)對電池電量的判斷。采用以下兩種處理方法，可以有效地抑制負載干擾。

1. 上采用施密特觸發(fā)電路

其原理如圖6所示，在比較器的基礎(chǔ)上加一個反饋電阻R_f，就構(gòu)成了施密特觸發(fā)器，下面對施密特觸發(fā)器進行分析。

施密特觸發(fā)器跳變的臨界條件是集成運放兩個輸入端之間的電壓等于零，即： u_-=u₊(1)

而在u_-=u₊時，集成運放兩個輸入端的電流均可視為零，因此運放反向輸入端的電壓等于輸入電壓，即： u_-=u_i (2)

而運放同相輸入端的電位是:

因為Eq1時對應(yīng)的U_i值就是閾值，故由公式(2)和公式(3)可知圖4電路的閾值是：

由以上分析可知，施密特電路由于反饋電阻R_f的存在，在其輸入輸出特性曲線上產(chǎn)生了一個滯迴區(qū)，如圖3-5所示，當(dāng)輸入信號因干擾發(fā)生變化時，只要變化量不超過兩個閾值之差，施密特觸發(fā)器的輸出電壓就不會來回變化。由電壓傳感器原理圖可知：

由以上分析可知，當(dāng)干擾使電源電壓波動差值小于500mV時，電壓傳感器仍能輸出正確的信號給計算機，所以施密特電路可以降低電源管理系統(tǒng)誤信號產(chǎn)生的概率，增強系統(tǒng)的抗干擾能力。

2. 上采用延時校驗

延時校驗原理如圖8所示，根據(jù)概率學(xué)原理，如果每次采樣信號為誤信號的機率相等，記為η，則采用n次延遲校驗可把機率降低到，顯然采用延遲校驗的方法也可以明顯地提高系統(tǒng)的抗干擾能力。

電源管理程序流程圖

電源管理程序流程圖如圖9所示。圖中Warming1、Warming2、Warming3代表三組電池的狀態(tài)，如果等于1表示電源電量不足，等于0說明電源正常。通過對ExitProgram賦值，主程序可以控制電源管理程序的調(diào)用和退出。

本文小結(jié)

移動電源對于便攜式電子設(shè)備而言至關(guān)重要，本文從經(jīng)濟性和實用性的角度出發(fā)設(shè)計了一套簡單易行的電源管理方案。根據(jù)檢測電源輸出電壓可間接獲知電源電量的理論，以LM339比較器和AT89S52單片機為核心搭建了電源智能管理系統(tǒng)所必需的硬件結(jié)構(gòu)，并在此基礎(chǔ)上設(shè)計出電源管理程序流程圖，從而有效地實現(xiàn)了對移動電源的管理，提高了整個系統(tǒng)的供電質(zhì)量，保證了它的穩(wěn)定運行。

作者：曹會賓

應(yīng)用工程師

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