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根据ATmega 16L微控制器的便携设备电源体系计划

基于ATmega 16L微控制器的便携设备电源系统方案-为满足目前便携设备对电源系统的需求,提出一种基于微控制器为控制核心的便携设备电源系统方案,利用高性能、低功耗的ATmega 16L微控制器作为检测和控制核心,配以电池充放电电路、DC/DC变换电路、外部适配器和锂电池组等,实现了灵活性高、功能完备的电源系统。

为满意现在便携设备对电源体系的需求,提出一种依据微操控器为操控中心的便携设备电源体系计划,运用高功用、低功耗的ATmega 16L微操控器作为检测和操控中心,配以电池充放电电路、DC/DC改换电路、外部适配器和锂电池组等,完结了灵活性高、功用齐备的电源体系。

    跟着科技的前进,便携设备运用日益遍及,这些设备给咱们的作业和日子带来越来越多的便当,一起,其对内部的电源体系提出更高的要求。便携设备一般需求满意市电和蓄电池两种供电办法,完结蓄电池的充放电操控和电池剩下电量的预算;需求与嵌入式主板进行开关机交互和数据交互;需求具有体积小、分量轻、功率高级特色。尽管针对笔记本和手机产品有老练的电源计划,可是一般仅适用于小功率的场合,关于专业的便携设备缺少适应性。
    在上述布景下,急需规划一款较大功率,具有以上功用特色的电源体系,然后满意一般便携设备对电源的需求。

1 电源体系整体规划

    本体系以微操控器为检测和操控的中心,包含适配器、电池组、电池充放电模块、DC/DC改换等功用模块。体系的整体框图如图1所示。

依据ATmega 16L微操控器的便携设备电源体系计划

电池组电压、电流、温度等信息经过电压采样、电流采样和温度丈量电路,进入微操控器A/D。微操控器作为数据处理和操控的中心,一方面实时监控电池组的各项功用指标和状况,一方面依据这些状况参数操控驱动大功率开关,然后操控整个设备的电源供应。依据现场市电存在状况,完结外部适配器供电和内部电池组供电的主动切换。经过外部适配器,可一起完结设备正常供电和电池的充电。体系一起具有RS-232接口,可与嵌入式主板通讯,将电源状况发送给上位机,进行显现。为完结低功耗嵌入式主板的ATX电源接口需求,微操控器运用I/O口与主板的ATX电源接口进行交互,完结了PS_ON信号和PW-OK信号的功用模仿,具有了ATX电源功用。

因为运用了微操控器,使体系具有很大的灵活性,便于完结各种杂乱逻辑操控,然后能便利地对体系进行功用扩展和功用改善。

2 电池办理部分

2.1 电池的挑选

现在可充电式电源电池首要有以下几种:铅酸电池、镍镉电池、镍氢电池和锂电池。

镍镉电池因含重金属,一起具有能量密度低,充放电寿数短、废弃物难处理等缺陷,将会在未来的储能体系所筛选。而镍氢电池归于碱性电池,单体电压相对较低,而且镍镉电池,镍氢电池均具有“回忆效应”,长时间不完全充放电,电池内易留下痕迹,下降电池容量。

近年来,越来越多的产品选用锂离子电池作为首要电源,首要是因为锂离子电池具有体积小,能量密度高,无回忆效应,循环寿数高,自放电率低一级长处。

本电源体系挑选三洋柱状18650类型的锂电池,单节电池容量能够到达2.2 Ah,运用4串4并的组合办法,电池组具有130 WH的能量,使便携设备具有必定的续航才能。

2.2 中心操控芯片介绍

从低功耗、低成本规划视点动身,微操控器选用Atmel的高功用、低功耗的ATmega16L微操控器作为检测与操控中心。ATmega16L是依据RISC结构的高功用、低功耗8位CMOS微操控器,内部带有16 kB的体系内可编程Flash,512B EEPROM,1KB SRAM,3个具有各自分频和比较形式的定时器/计数器,8路10位ADC,可编程串行USART,一个SPI串行端口,具有片内振荡器的可编程看门狗定时器,6个能够经过软件进行挑选的省电形式,32个通用I/O口线,作业电压为2.7~5.5V。因为其先进的指令集以及单时钟周期指令执行时间,数据吞吐率高达1MIPS/MHz然后能够优化体系功耗和处理速度之间的联系。

依据体系需求,微操控器运用到的外围接口包含电池、适配器电压和电流检测的A/D转化接口,对充电芯片监控的I/O接口,充放电大功率MOS栅极操控的I/O接口,开关机和显现操控的I/O接口,与主板间通讯的USART接口等。

2.3 充电计划

充电选用凌特公司(Linear Technology)的LTC4006芯片,具有高达4 A充电电流的2到4节锂离子电池充电器,它包含了构成简略独立的高功率电池充电器体系所必需的I/O状况信号。能供给充电完毕的输出信号和墙上适配器检测功用,以及用于电量检测的充电电流值指示器。由6 V~28 V的电源供电时,其同步DC/DC降压作业形式答应高达96%的作业功率,具有电池温度监督器以及过压和过流维护功用。充电电压精确度为±0.8%,充电电流可用电阻来编程至±4%的典型精确度。为指示电量,一个专用功用部件将此充电电流表明为微操控器或A/D转化器的电压。用电阻可依据运用电池组的总容量,设置总充电时间为1~3 h,并具有主动再充电和涓流充电功用。

选用直流输出为19.8 V的适配器,满意LTC4006对输入电压6~28 V的要求。运用外部适配器作为充电电源,在ATmega16L和LTC4006芯片的合作下能够完结对电池组的充电办理。LTC4006运用电路如图2所示。

依据ATmega 16L微操控器的便携设备电源体系计划

图中,MP1和MP2两个PMOS(Si4425)背对背反向串联,组成抱负开关,MCU的I/O口PDS_G经过三极管进行触发操控。经过此抱负开关,完全杜绝了因为MOS管寄生二极管形成的电池侧电压反串到适配器输入侧状况。适配器输入DC_IN经过开关后,作为电池充电BUCK电路的输入。最大充电电流能够经过R39和R40的阻值便利设定,一起,充电电流能够经过LTC4006的IMON引脚进入MCU的A/D口进行实时监督。当MCU检测到适配器电压满意充电要求的时分,经过操控LTC4006的3引脚ACP/SHDN完结充电开端和停止的操控,一起,充电状况能够经过2引脚/CHG进行监督。

2.4 电池剩下电量预算

因为电池在充放电进程中表现出高度非线性,对其很难树立精确的数学模型。而电池的SOC和许多要素相关(如温度、前一时间充放电状况、极℃化效应、电池寿数等),这样就给SOC实时在线估量带来了很大的困难。

现在同表里常用的估量电池SOC的办法首要有安时积分法、开路电压法、内阻法和卡尔曼滤波法等。

安时积分法存在累积差错,并受电池自放电影响,需求定时进行完好的充放电进程,进行校对,关于便携设备来说,这种操作不便利,在用户日常运用时不太实践。

开路电压法,电池组需停止较长时间达安稳状况,不满意在线检测的要求。

卡尔曼滤波法,算法较杂乱,在微操控器上完结较困难。

便携设备所要求的剩下电量检测精度小高,而且负载电流改变小,为了尽量减小设备的体积和分量,杰出设备的便携性,选用简略、有用的剩下电量检测办法最契合便携设备的运用需求。直流内阻法,正好能够满意以上需求。

锂电池开路电压与在负载条件下电池电压的差值对时间进行积分,然后再除以充放电电流存一起间内的积分,即可得到锂电池的直流内阻Rd,用公式表明为:

Rd为电池组直流阻抗;VOC表明电池组开路电压;Vd为在负载时的电池组电压;i负载电流。

电池组直流内阻等于在同一很短的时间段内,电池电压改变量与电流改变量的比值。实践丈量中,将电池从开路状况开端恒流放电,相同短时间内,负载电压和开路电压的差值除以电流值便是直流内阻。因为是恒流放电,每一时间的剩下电量是已知的,这样就形成了直流内阻与剩下电量的联系。

运用多组充溢电量的电池组进行屡次挨近实践体系负载的恒流放电,得到一系列电池空载电压、电池端电压和电流数据,运用这些数据就能够推倒出相应剩下电量和电池组内阻对应联系的平均值,将这些数据存储在MCU的FLASH中,就能够在实践的运用中运用查表的办法确认剩下电量。

2.5 充放电显现

一般的便携设备的电源体系没有与嵌入式主板进行交互,所以显现只能经过LED灯大略显现充放电状况。本电源体系因为选用微操控器计划,能够与嵌入式主板实时通讯,上层运用软件很简单将充放电状况显现在便携设备的显现屏上,便利运用者了解电源状况。

充电进程中,便携设备显现屏上用一个市电插头的图标显现现在是市电供电状况,并在设备上用小LED灯来显现充电状况。放电进程中,在显现屏上显现电池图标,以百分数实时显现电池组剩下电量,当剩下电量低于10%时,进行电量提示。

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