便攜式儀表電源管理技術(shù)研究

周長發(fā)

【摘 要】便攜式儀表憑借輕巧的體積、易用的操作，在野外測(cè)試中的應(yīng)用日益廣泛。本文依據(jù)某便攜式儀表的供電需求，提出了一種電源管理方案。本文從可充電電池組、充電模塊、充放電保護(hù)模塊、電量監(jiān)測(cè)模塊、電源上電和掉電模塊等5個(gè)部分詳細(xì)描述了電源管理實(shí)現(xiàn)方案。經(jīng)驗(yàn)證，方案切實(shí)可行，能滿足用戶使用要求，對(duì)其它便攜式儀表電源管理的設(shè)計(jì)具有重要的指導(dǎo)和借鑒意義。

【關(guān)鍵詞】便攜 電源管理 電源應(yīng)用

1 引言

便攜式儀表憑借輕巧的體積、易用的操作，在野外測(cè)試中的應(yīng)用日益廣泛。便攜式儀表與臺(tái)式儀表相比，優(yōu)勢(shì)在于可以在無外接電源的情況下，在一定的工作時(shí)間內(nèi)仍能正常工作。某便攜式儀表要求提供5V充電，設(shè)備功耗3W，無外接電源情況下工作4h以上。

2 方案及硬件設(shè)計(jì)

2.1 方案

電源管理主要實(shí)現(xiàn)對(duì)電池組工作狀態(tài)、充電/放電過程的管理，通過電源管理保證電池組及其充放電過程安全、有效、可靠。通過監(jiān)測(cè)電池組的表面溫度來判斷電池組工作狀態(tài)是否異常；充電過程中，通過監(jiān)測(cè)電池組的電壓，防止出現(xiàn)過充引發(fā)危險(xiǎn)；放電過程中，通過監(jiān)測(cè)電池組的電壓和電流，防止出現(xiàn)過放、過流，降低電池組壽命。

電源管理主要由可充電電池組、充電模塊、充放電保護(hù)模塊、電量監(jiān)測(cè)模塊、電源上電和掉電模塊等5個(gè)部分組成，其功能框圖如圖1所示。供電電池是整個(gè)便攜式儀表的重要組成部分，承擔(dān)整個(gè)系統(tǒng)的電源供給。充電模塊產(chǎn)生恒定電壓或恒定電流供給可充電電池組，對(duì)電池組進(jìn)行充電。充電保護(hù)模塊和放電保護(hù)模塊對(duì)充放電過程的電壓、電流和電池組的溫度進(jìn)行監(jiān)測(cè)，充放電異常則斷開充放電回路，保證整個(gè)系統(tǒng)的安全。電量監(jiān)測(cè)模塊對(duì)電池組的電量進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，系統(tǒng)通過I2C接口實(shí)時(shí)獲取電池組的電量信息，以便及時(shí)對(duì)電池組進(jìn)行充電。上電/掉電模塊控制系統(tǒng)供電通路的通斷，保證系統(tǒng)的正常運(yùn)行與關(guān)斷。

圖1 功能框圖

2.2 硬件設(shè)計(jì)

2.2.1 可充電電池組

目前，便攜式儀表的主流供電電池包括鉛酸電池、鎳鎘電池、鎳氫電池、鋰離子電池和鋰聚合物電池等。鋰離子電池具有高單體電池電壓、高比能量、高功率密度、長循環(huán)壽命、無記憶效應(yīng)、低放電率等優(yōu)點(diǎn)。

設(shè)備功耗3W，要求無外接電源情況下工作4h以上。本方案選擇18650鋰離子電池ICR18650E作為供電電池，采取4節(jié)單體電池并聯(lián)形成電池組的方式對(duì)設(shè)備進(jìn)行供電。單節(jié)ICR18650E額定工作電壓3.6V，一般工作電壓范圍為3.0～4.2V，額定容量2.2Ah，最大放電電流4.4A，工作溫度-10℃～60℃。電池組的容量為8.8Ah，可提供至少26W功率，常溫下可以確保正常工作8小時(shí)左右。溫度越低，電池容量越小。-10℃時(shí)電池的容量約為額定容量的89%，可確保正常工作7小時(shí)左右，滿足設(shè)計(jì)要求。

2.2.2 充電模塊設(shè)計(jì)

根據(jù)鋰離子電池的特性，選擇TP4056來實(shí)現(xiàn)鋰離子電池組的充電管理。TP4056具有高達(dá)1A的可編程充電電流，可以多顆并聯(lián)使用，以增大充電電流，提高充電速度。每個(gè)芯片的充電電流都可以單獨(dú)設(shè)置，互不干擾。本方案采用4片TP4056并聯(lián)的方式給鋰離子電池充電組充電。充電電流通過一個(gè)連接在PROG引腳與地之間的電阻器來設(shè)定。設(shè)定電阻器和充電電流采用下列公式來計(jì)算：

RPROG=1200/IBAT………………………………（1）

IBAT充電電流，取為780mA時(shí)，RPROG為1.5k。充電時(shí)間可采用下列公式來粗略計(jì)算：

tCHRG=（CBAT/CCHRG）×2…………………………（2）

CBAT為電池組額定容量，CCHRG為充電器每小時(shí)的充電容量。四片TP4056并聯(lián)，每片采用780mA的充電電流，每小時(shí)可提供3Ah的容量。常溫下電池組充電大致需要5～6個(gè)小時(shí)。

2.2.3 充放電保護(hù)模塊設(shè)計(jì)

本方案選擇R5402N163KD來實(shí)現(xiàn)鋰離子電池組的充放電保護(hù)。R5402N163KD設(shè)定過充電壓4.28V，過充釋放電壓4.1V，過放電壓3.0V，過放釋放電壓3.2V，過流檢測(cè)電壓0.1V，過流保護(hù)延時(shí)時(shí)間12毫秒，短路保護(hù)檢測(cè)電壓0.9V，短路保護(hù)延時(shí)時(shí)間為300微妙。

在正常狀態(tài)下電路中R5402N163KD的“COUT”和“DOUT”腳都輸出高電壓3.7V左右，兩個(gè)MOSFET都處于導(dǎo)通狀態(tài)，電池可以自由地進(jìn)行充電和放電，由于MOSFET的導(dǎo)通阻抗很小，3.7V導(dǎo)通電壓下導(dǎo)通阻抗20毫歐左右，因此其導(dǎo)通電阻對(duì)電路的性能影響很小。

電池在被充電過程中，如果充電器電路失去控制，出現(xiàn)過充現(xiàn)象，當(dāng)控制IC檢測(cè)到電池電壓達(dá)到4.28V時(shí)，其“COUT”腳將由高電壓轉(zhuǎn)變?yōu)榈碗妷海筕2由導(dǎo)通轉(zhuǎn)為關(guān)斷從而切斷充電回路，使充電器無法再對(duì)電池進(jìn)行充電，起到過充電保護(hù)作用。

電池在對(duì)外部負(fù)載放電過程中，其電壓會(huì)隨著放電過程逐漸降低，當(dāng)電池電壓降至3.0V時(shí)，其“DOUT”腳將由高電壓轉(zhuǎn)變?yōu)榈碗妷?，使V1由導(dǎo)通轉(zhuǎn)為關(guān)斷，從而切斷放電回路，使電池?zé)o法再對(duì)負(fù)載進(jìn)行放電，起到過放電保護(hù)作用。

電池在對(duì)負(fù)載放電過程中，若回路電流大到使U>0.9V時(shí)，控制IC則判斷為負(fù)載短路，其“DOUT”腳迅速由高電壓轉(zhuǎn)變?yōu)榈碗妷?，使V1由導(dǎo)通轉(zhuǎn)為關(guān)斷，從而切斷放電回路，起到短路保護(hù)作用。短路保護(hù)的延時(shí)時(shí)間極短，為300微妙。

2.2.4 電量監(jiān)測(cè)模塊設(shè)計(jì)

本方案選擇BQ27510來實(shí)現(xiàn)對(duì)電池組電量的監(jiān)測(cè)。BQ27510通過檢測(cè)串聯(lián)在電池負(fù)極的小阻值電阻RS上的壓降，判斷當(dāng)前電池為充電狀態(tài)還是放電狀態(tài)。通過內(nèi)部“自學(xué)習(xí)”過程實(shí)現(xiàn)檢測(cè)電池電量。電池每經(jīng)過一次完整的充放電過程，就會(huì)進(jìn)入一輪新的“自學(xué)習(xí)”，經(jīng)過本次“自學(xué)習(xí)”可以更新電池從滿到空的總電量，并寫入LMD寄存器當(dāng)中。使用TI公司電源仿真器EV2300進(jìn)行充放電學(xué)習(xí)。

2.2.5 電源上電和掉電模塊設(shè)計(jì)

本方案選擇LTC2951-2來實(shí)現(xiàn)電源上電和掉電控制。按鍵開關(guān)接至LTC2951-2的PB腳，輸出使能信號(hào)接至DC/DC轉(zhuǎn)換器，DC/DC轉(zhuǎn)換器為整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行供電。儀表進(jìn)行上電，按下按鍵，按鍵至少保持低電平128毫秒，LTC2951-2首先對(duì)按鈕輸入進(jìn)行防反跳處理，然后使能信號(hào)EN輸出低電平，DC/DC轉(zhuǎn)換器啟動(dòng)。如需關(guān)斷便攜式儀表，按下按鍵，按鍵至少保持低電平32毫秒，LTC2951-2首先對(duì)按鈕輸入進(jìn)行防反跳處理，然后使能信號(hào)EN輸出高電平，切斷DC/DC轉(zhuǎn)換器，從而關(guān)斷便攜式儀表的電源，然后將啟動(dòng)一期內(nèi)部512毫秒消隱定時(shí)器，忽略按鍵的任何操作。

3 試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

采用3Ω電子負(fù)載模擬用電設(shè)備進(jìn)行帶載試驗(yàn)，額定功率大于3W。試驗(yàn)情況見表1，在-10℃～+50℃的溫度范圍內(nèi)，滿足無外接電源情況下工作4小時(shí)的要求。

表1 帶載試驗(yàn)

序號(hào)

試驗(yàn)環(huán)境

工作時(shí)間

1

+20℃

5小時(shí)

2

-10℃

4.5小時(shí)

3

+50℃

5小時(shí)

4 結(jié)語

本文依據(jù)某便攜式儀表的供電需求，提出了一種電源解決方案。從可充電電池組、充電模塊、充放電保護(hù)模塊、電量監(jiān)測(cè)模塊、電源上電和掉電模塊等5個(gè)部分詳細(xì)描述了電源管理實(shí)現(xiàn)方案。經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證，設(shè)計(jì)滿足用戶使用要求，其研究對(duì)其它便攜式儀表電源管理的設(shè)計(jì)具有重要的借鑒作用。

參考文獻(xiàn)：

[1]ICR18650E datasheet.江西金剛能源有限公司，2010.

[2]TP4056 datasheet.南京拓微集成電路有限公司，2009.

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[4]BQ27510 datasheet，TEXAS INSTRUMENTS INCORPORATED，2010.

[5]LTC2951-2 datasheet，LINEAR TECHNOLOGY CORPORATION，2006.