基于ATmega16L的便攜設(shè)備電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)

樊彥強(qiáng)，李志宏

（北京云星宇交通工程有限公司 北京 100078）

隨著科技的進(jìn)步，便攜設(shè)備應(yīng)用日益普遍，這些設(shè)備給我們的工作和生活帶來(lái)越來(lái)越多的便利，同時(shí)，其對(duì)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(jìn)行開(kāi)關(guān)機(jī)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(diǎn)。雖然針對(duì)筆記本和手機(jī)產(chǎn)品有成熟的電源方案，但是一般僅適用于小功率的場(chǎng)合，對(duì)于專業(yè)的便攜設(shè)備缺乏適應(yīng)性。

在上述背景下，急需設(shè)計(jì)一款較大功率，具備以上功能特點(diǎn)的電源系統(tǒng)，從而滿足一般便攜設(shè)備對(duì)電源的需求。

1 電源系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)以微控制器為檢測(cè)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(guò)電壓采樣、電流采樣和溫度測(cè)量電路，進(jìn)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(shí)時(shí)監(jiān)控電池組的各項(xiàng)性能指標(biāo)和狀態(tài)，一方面根據(jù)這些狀態(tài)參數(shù)控制驅(qū)動(dòng)大功率開(kāi)關(guān)，從而控制整個(gè)設(shè)備的電源供給。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)市電存在情況，實(shí)現(xiàn)外部適配器供電和內(nèi)部電池組供電的自動(dòng)切換。通過(guò)外部適配器，可同時(shí)實(shí)現(xiàn)設(shè)備正常供電和電池的充電。系統(tǒng)同時(shí)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(jī)，進(jìn)行顯示。為實(shí)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(jìn)行交互，實(shí)現(xiàn)了PS_ON信號(hào)和PW-OK信號(hào)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(shí)現(xiàn)各種復(fù)雜邏輯控制，從而能方便地對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行功能擴(kuò)展和性能改進(jìn)。

圖1 系統(tǒng)總體框圖Fig.1 System block diagram

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(shí)具有能量密度低，充放電壽命短、廢棄物難處理等缺點(diǎn)，將會(huì)在未來(lái)的儲(chǔ)能系統(tǒng)所淘汰。而鎳氫電池屬于堿性電池，單體電壓相對(duì)較低，而且鎳鎘電池，鎳氫電池均具有“記憶效應(yīng)”[1]，長(zhǎng)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(lái)，越來(lái)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(wú)記憶效應(yīng)，循環(huán)壽命高，自放電率低等優(yōu)點(diǎn)[2]。

本電源系統(tǒng)選擇三洋柱狀18650型號(hào)的鋰電池，單節(jié)電池容量可以達(dá)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(jì)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(cè)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(gè)具有各自分頻和比較模式的定時(shí)器/計(jì)數(shù)器，8路10位ADC，可編程串行USART，一個(gè)SPI串行端口，具有片內(nèi)振蕩器的可編程看門(mén)狗定時(shí)器，6個(gè)可以通過(guò)軟件進(jìn)行選擇的省電模式，32個(gè)通用I/O口線，工作電壓為2.7～5.5 V。由于其先進(jìn)的指令集以及單時(shí)鐘周期指令執(zhí)行時(shí)間，數(shù)據(jù)吞吐率高達(dá)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[3]。

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(cè)的A/D轉(zhuǎn)換接口，對(duì)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(kāi)關(guān)機(jī)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(dá)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(jiǎn)單獨(dú)立的高功率電池充電器系統(tǒng)所必需的I/O狀態(tài)信號(hào)。能提供充電結(jié)束的輸出信號(hào)和墻上適配器檢測(cè)功能，以及用于電量檢測(cè)的充電電流值指示器。由6 V～28 V的電源供電時(shí)，其同步DC/DC降壓工作模式允許高達(dá)96%的工作效率，具有電池溫度監(jiān)視器以及過(guò)壓和過(guò)流保護(hù)功能。充電電壓準(zhǔn)確度為±0.8%，充電電流可用電阻來(lái)編程至±4%的典型準(zhǔn)確度。為指示電量，一個(gè)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(shí)間為1～3 h，并具有自動(dòng)再充電和涓流充電功能[4]。

選用直流輸出為19.8 V的適配器，滿足LTC4006對(duì)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(shí)現(xiàn)對(duì)電池組的充電管理。LTC4006應(yīng)用電路如圖2所示。

圖2 LTC4006應(yīng)用電Fig.2 LTC4006 application circuit

圖中，MP1和MP2兩個(gè)PMOS（Si4425）背對(duì)背反向串聯(lián)，組成理想開(kāi)關(guān)，MCU的I/O口PDS_G通過(guò)三極管進(jìn)行觸發(fā)控制。通過(guò)此理想開(kāi)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(guò)開(kāi)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(guò)R39和R40的阻值方便設(shè)定，同時(shí)，充電電流可以通過(guò)LTC4006的IMON引腳進(jìn)入MCU的A/D口進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)視。當(dāng)MCU檢測(cè)到適配器電壓滿足充電要求的時(shí)候，通過(guò)控制LTC4006的3引腳ACP/SHDN實(shí)現(xiàn)充電起始和終止的控制，同時(shí)，充電狀態(tài)可以通過(guò)2引腳/CHG進(jìn)行監(jiān)視。

2.4 電池剩余電量估算

由于電池在充放電過(guò)程中表現(xiàn)出高度非線性，對(duì)其很難建立準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)模型。而電池的SOC和很多因素相關(guān)（如溫度、前一時(shí)刻充放電狀態(tài)、極℃化效應(yīng)、電池壽命等），這樣就給SOC實(shí)時(shí)在線估計(jì)帶來(lái)了很大的困難。

目前國(guó)內(nèi)外常用的估計(jì)電池SOC的方法主要有安時(shí)積分法、開(kāi)路電壓法、內(nèi)阻法和卡爾曼濾波法等。

安時(shí)積分法存在累積誤差，并受電池自放電影響，需要定期進(jìn)行完整的充放電過(guò)程，進(jìn)行校正，對(duì)于便攜設(shè)備來(lái)說(shuō)，這種操作不方便，在用戶日常使用時(shí)不太現(xiàn)實(shí)。

開(kāi)路電壓法，電池組需靜止較長(zhǎng)時(shí)間達(dá)穩(wěn)定狀態(tài)，不滿足在線檢測(cè)的要求。

卡爾曼濾波法，算法較復(fù)雜，在微控制器上實(shí)現(xiàn)較困難。

便攜設(shè)備所要求的剩余電量檢測(cè)精度不高，并且負(fù)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(jiǎn)單、有效的剩余電量檢測(cè)方法最符合便攜設(shè)備的應(yīng)用需求。直流內(nèi)阻法，正好能夠滿足以上需求。

鋰電池開(kāi)路電壓與在負(fù)載條件下電池電壓的差值對(duì)時(shí)間進(jìn)行積分，然后再除以充放電電流在同時(shí)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(kāi)路電壓；Vd為在負(fù)載時(shí)的電池組電壓；i負(fù)載電流。

電池組直流內(nèi)阻等于在同一很短的時(shí)間段內(nèi)，電池電壓變化量與電流變化量的比值。實(shí)際測(cè)量中，將電池從開(kāi)路狀態(tài)開(kāi)始恒流放電，相同短時(shí)間內(nèi)，負(fù)載電壓和開(kāi)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(shí)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(jìn)行多次接近實(shí)際系統(tǒng)負(fù)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(yīng)剩余電量和電池組內(nèi)阻對(duì)應(yīng)關(guān)系的平均值，將這些數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在MCU的FLASH中，就可以在實(shí)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(méi)有與嵌入式主板進(jìn)行交互，所以顯示只能通過(guò)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(shí)時(shí)通訊，上層應(yīng)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(guò)程中，便攜設(shè)備顯示屏上用一個(gè)市電插頭的圖標(biāo)顯示現(xiàn)在是市電供電狀態(tài)，并在設(shè)備上用小LED燈來(lái)顯示充電狀態(tài)。放電過(guò)程中，在顯示屏上顯示電池圖標(biāo)，以百分?jǐn)?shù)實(shí)時(shí)顯示電池組剩余電量，當(dāng)剩余電量低于10%時(shí)，進(jìn)行電量提醒。

3 DC/DC電路設(shè)計(jì)

對(duì)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(dá)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(jì)是解決這一問(wèn)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(shí)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(kāi)關(guān)穩(wěn)壓控制器，可驅(qū)動(dòng)各同步N溝道功率場(chǎng)效應(yīng)管MOSFET。該控制器以恒定頻率電流型工作方式允許調(diào)節(jié)頻率可高達(dá)300 kHz。通過(guò)兩個(gè)控制器輸出級(jí)異相工作，最大限度降低了由輸入電容器的等效串聯(lián)電阻 （ESR）引起的功耗和噪聲。3.5～30 V（最大為36 V）的寬輸入電源電壓范圍適用于所有類型的電池?？刂破鞯腞UN/SS引腳提供了軟啟動(dòng)，并實(shí)現(xiàn)可選定時(shí)的短路停機(jī)[5]。

圖3 LTC1628應(yīng)用電路Fig.3 LTC1628 application circuit

圖4 LTC3780應(yīng)用電路Fig.4 LTC3780 application circuit

由于12 V的直流輸出電壓，處于4節(jié)鋰離子電池串聯(lián)的正常放電電壓范圍（11～14.8 V）內(nèi)部，所以需要選擇一款能夠?qū)崿F(xiàn)升降壓的電源控制芯片。LTC3780是一款高性能的能降壓－升壓的開(kāi)關(guān)型穩(wěn)壓器，可在輸入電壓高于、低于或等于輸出電壓的條件下工作。恒定頻率電流模式架構(gòu)提供了一個(gè)高達(dá)400 Hz的可鎖相頻率，可以在4～30 V寬輸入和輸出范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)不同工作模式間的無(wú)縫切換。借助于LTC3780為核心控制芯片，可以無(wú)縫切換Buck－Boost開(kāi)關(guān)模式，高效率地升壓或降壓，具有自動(dòng)穩(wěn)定輸出電壓的作用，使蓄電池外特性有質(zhì)的飛躍[6]。

4 程序流程圖

ATmega16L的主程序流程圖和定時(shí)器中斷例程如圖5所示。程序結(jié)構(gòu)采取前后臺(tái)程序結(jié)構(gòu)，對(duì)實(shí)時(shí)性要求比較高的電壓電流的采樣、開(kāi)關(guān)控制和串口任務(wù)放在定時(shí)中斷中進(jìn)行處理，對(duì)實(shí)時(shí)性要求不高的LED控制、剩余電量的計(jì)算、串口命令解析等任務(wù)放在主程序循環(huán)中進(jìn)行處理。

5 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)便攜設(shè)備應(yīng)用需求而設(shè)計(jì)的電源管理系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)外部適配器供電和內(nèi)部電池組供電的自動(dòng)切換，利用專用充電控制芯片可以安全、高效率、大電流、精確的為電池組充電，微控制器可以方便進(jìn)行充電狀態(tài)監(jiān)控。微控制器可以根據(jù)電池放電電流和電壓，計(jì)算出電池內(nèi)阻，從而得出電池組剩余電量，計(jì)算的精度可以達(dá)到1%左右，基本滿足便攜設(shè)備的需求。同時(shí)，微控制器與嵌入式主板進(jìn)行交互，實(shí)現(xiàn)了便攜設(shè)備的開(kāi)關(guān)機(jī)和電源狀態(tài)的顯示。本電源系統(tǒng)簡(jiǎn)單可靠，功能完備，可根據(jù)不同便攜設(shè)備需求進(jìn)行靈活修改，具有很強(qiáng)的兼容性。

圖5 MCU程序流程圖Fig.5 MCU program flow chart

根據(jù)上述設(shè)計(jì)的電源系統(tǒng)已應(yīng)用在北京市高速公路便攜式收費(fèi)機(jī)上，至今生產(chǎn)了500余套，運(yùn)行穩(wěn)定，在一定程度上緩解了北京市高速公路收費(fèi)站擁堵的問(wèn)題。

[1]王海明，鄭繩植，劉興順.鋰離子電池的特點(diǎn)及應(yīng)用[J].電氣時(shí)代，2004（3）：132－134.WANG Hai－ming，ZHENG Sheng－zhi，LIU Xing－shun.The characteristic and application of Li－ion battery[J].Electric Age，2004（3）：132－134.

[2]李祖布，孫寧，蘇瑞豐.鋰離子電池組均衡和保護(hù)的關(guān)系研究[J].電子產(chǎn)品世界，2007（8）：72，74，97.LI Zu －bu，SUN Ning，SU Rui－feng.Research on the relationship between equalization and protection for Li－ion batteries[J].Electronic Engineering&Product World，2007（8）:72，74，97.

[3]Atmel.ATmega16 （L）Data Sheet[EB/OL].（2010）.http://www.atmel.com/Images/doc2466.pdf.

[4]Linear.LTC4006 Data Sheet [EB/OL]. （2003）.http://cds.linear.com/docs/Datasheet/4006fa.pdf.

[5]Linear.LTC1628 Data Sheet.[EB/OL]. （1998）.http://cds.linear.com/docs/Datasheet/1628fb.pdf.

[6]Linear.LTC3780.Datasheet[EB/OL]. （2005）.http://cds.linear.com/docs/Datasheet/3780fe.pdf.