野外測試儀可充電電池管理系統(tǒng)硬件設計

張佐東，王藝瑾，李芷薇，李巧藝

（重慶第二師范學院數(shù)學與信息工程學院，重慶，400065）

1　系統(tǒng)設計

1.1　整體設計

該系統(tǒng)主要包括以下5個部分： （1）AC適配器：采用市售通用20V/90W AC適配器。（2）充電電路：采用TI的BQ24735芯片和必要的外圍電路構(gòu)成，可對4節(jié)10AH串聯(lián)鋰電池充電（最大充電電流為8A），可以自動選擇AC適配器或電池進行系統(tǒng)供電，充電管理可通過單片機進行控制。（3）轉(zhuǎn)換電路：采用TI的TPS40132將系統(tǒng)供電轉(zhuǎn)換成穩(wěn)定的5V電壓、10A電流輸出或者雙路5V電壓輸出，每路電流5A。（4）鋰電池組：采用4節(jié)10AH鋰電池串聯(lián)，內(nèi)部包含過充、過放、過流及過熱保護電路。（5）狀態(tài)指示及電量顯示：采用Atmel ATmega32單片機進行控制?？梢詫Τ潆姟⒊錆M、保護等狀態(tài)進行指示。通過I2C總線控制充電管理芯片，對電池電壓進行檢測來獲取電量信息，然后通過兩位LED數(shù)碼管進行電量顯示。

圖1　系統(tǒng)設計原理框圖

1.2　硬件設計

1.2.1充電電路

采用TI的BQ24735芯片和必要的外圍電路構(gòu)成，可對4節(jié)10AH串聯(lián)鋰電池充電（最大充電電流為8A），可以自動選擇AC適配器或電池進行系統(tǒng)供電，充電管理可通過單片機進行控制。

BQ24735是TI公司推出的一款高效率同步電池充電芯片，主要應用于空間有限的便攜設備中，具有過載電壓保護、過流保護、電池、感應器和MOSFET短路保護的增強型安全特性。當系統(tǒng)供電需求暫時高于適配器最大供電水平的時候，BQ24735使用智能加速技術(shù)來允許電池向系統(tǒng)中釋放能量，以此來保護適配器不被損壞。另外，BQ24735可以使用內(nèi)部輸入電流寄存器或者外部ILIM引腳來減緩PWM調(diào)制速度，從而減小充電電流。芯片典型應用電路如圖2所示。

1.2.2轉(zhuǎn)換電路

采用TI的TPS40132芯片將系統(tǒng)供電轉(zhuǎn)換成穩(wěn)定的5V電壓、10A電流輸出或者雙路5V電壓、每路5A電流輸出。

TPS40132是一款雙通道多相控制器，主要用于互聯(lián)網(wǎng)服務器、電信設備、直流電源分布式系統(tǒng)等。該芯片具有如下特性：支持5V DC輸出；可通過電阻分壓器設置輸出過壓閾值；支持電阻或電感DCR電流檢測；可提供6位數(shù)字控制；

圖2　BQ24735典型應用電路

圖3　TPS40132簡單應用電路

1.2.3控制器

使用Atmel ATmega32單片機作為控制器，通過I2C總線控制充電管理芯片。

ATmega32單片機是一種基于增強RISC結(jié)構(gòu)的、低功耗的8位單片機。其特性為：具有32K字節(jié)的可編程 Flash、2K字節(jié)的SRAM數(shù)據(jù)存儲器和1024個字節(jié)的可編程EEPROM數(shù)據(jù)存儲器；包含JTAG、SPI、USART接口；擁有兩個分別獨立、可設置預分頻器的8位定時器/計數(shù)器及一個16位定時器/計數(shù)器；具有四個通道的PWM輸出、8路10位ADC和32個可編程I/O接口；低功耗、最高工作頻率為16MHz。

1.2.4狀態(tài)指示及電量顯示

采用Atmel ATmega32單片機進行控制?？梢詫Τ潆?、充滿、保護等狀態(tài)進行指示。通過I2C總線控制充電管理芯片，對電池電壓進行檢測來獲取電量信息，然后通過兩位LED數(shù)碼管進行電量顯示。

開機時，用戶打開電源開關(guān)，LED數(shù)碼管顯示ON，隨后顯示數(shù)字（即電池電量，顯示范圍為00-99，單位為%），同時5V OK、電源、輸出3個綠色指示燈亮起，說明此時由電池供電，且電池工作正常，5V輸出正常。如果電池電壓過低，則紅色告警指示燈亮起，5V輸出斷開，此時需要接入充電器才能正常工作。

圖4　ATmega32單片機結(jié)構(gòu)

進行充電時，插入充電器后，充電指示燈亮起，說明電池正在充電，同時充電器提供對5V輸出的供電。電池充滿后，充滿指示燈亮起，同時充電指示燈熄滅，系統(tǒng)自動停止對電池充電，充電器還將繼續(xù)提供對5V輸出的供電。

保護狀態(tài)分為以下幾種情況：當電池供電時，如果電量低，則告警指示燈亮起，5V輸出斷開。在插入充電器后，系統(tǒng)恢復正常。當電池供電時，如果電池溫度過高，則告警指示燈亮起，5V輸出斷開。在電池溫度正常后，系統(tǒng)恢復正常。當電池充電時，如果電池溫度過高，則告警指示燈亮起，系統(tǒng)停止充電，5V輸出由充電器提供。在電池溫度正常后，系統(tǒng)再次恢復充電。

2　結(jié)語

根據(jù)野外測試儀器應用的實際需求和可充電電池方便、簡潔、安全、高效的使用要求，本文設計了一種應用于野外測試儀器的可充電電池管理系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有充放電狀態(tài)自動切換、過充過放保護、最大充電電流限制、溫度保護等功能，并且可進行剩余容量估計。經(jīng)試驗測試，該系統(tǒng)負載調(diào)整率為0.52%，10A電流輸出時的轉(zhuǎn)換效率為95%，達到了預期技術(shù)要求，儀器工作期間，系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行，具有良好的實際應用效果。