便携式环境测试仪电源电路设计

     摘要: 介绍了便携式设备对电源管理的需求， 提出了一种基于硬件结合软件的智能电源模块设计方案， 给出了硬件总体结构和软件思路。这个方案将电源模块应用到PC104 嵌入式系统中， 设计了相关软件， 测试并分析了该模块的性能。

　　实验结果表明， 该电源模块接口丰富、控制灵活， 具有通用性。

　　环境测试仪是指能够测量温度、湿度、压力、风速等环境参数的仪器。为了满足各种复杂地理环境下的测试需求， 测试仪迫切需要小型化和便携式。为了保持与现有软件的最大兼容性， 我们选用PC104 的系统架构设计了便携式的测试仪。PC104 是IBM PC 兼容工业标准的架构体系。PC104 主板对电源系统要求较高， 设计选用工业级的PC104 电源板， 此电源板支持宽范围输入( DC8~ 36 V) ， 效率高达96 % 。为了满足便携性， 系统必须支持电池组供电( 锂电池组或铅酸蓄电池组等) ， 由于锂电池组具有单节电池标称电压高、自放电率低、质量能量密度和体积能量密度高、没有记忆效应等优点， 本系统选用锂电池组供电。本文主要讨论了系统供电电路及电池组充电电路的设计。

　　1  系统总体结构

　　经实际测试， 并留出一定裕量， 设计选用9 600mAh 12 V 锂电池组。实际采用单节标称电压3. 7 V，充电限制电压4. 2 V， 容量2 400 mAh 的锂电池电芯，三串四并组成电池组， 使用MM1414 芯片完成过充、过放、过流以及短路保护功能。锂电池的典型充电算法是恒流与恒压算法( CC/ CV ) 。根据国家标准GB/T18287- 2000 的要求首先恒流充电， 电池电压随着充电过程逐步升高， 当电池端电压达到12. 6 V， 改恒流充电为恒压充电， 电流根据电芯的饱和程度， 随着充电过程的逐步减小， 当减小到某个值时， 认为充电终止。

　　根据此标准设计选用0. 2 C 倍率恒流充电， 充电倍率达到0. 01 C 时认为充电结束， 即分别对应电流约为2A 和100 mA。根据以上要求设计系统总体结构， 具体如图1 所示。

图1  系统结构

　　系统使用直流18~ 30 V 输入， 可以直接使用笔记本电源。D1 用于防止电源方向插反。12. 6 V/ 2 A 恒压限流电路为本电路核心， 在输出电压低于12. 6 V 时工作在2 A 恒流状态， 当输出电压达到12. 6 V 时， 使输出电压恒定。D2、D3 和C1 完成电源切换功能。外部电源供电时， 由于P 端电压总是保持在12. 6 V 以上， S 端通过外部电源供电， 若无外部电源时， 由于电池电压比P 端的电压高， 则通过电池对系统进行供电。稳压电路主要负责将S 端的电压转换为系统所需的各种电压。ADC1 和A DC2 分别为电流和电压采集端， ADC1 和ADC2 端的信号经过OP 电路放大， 然后输入到ADC 电路， MCU 把各种相关数据通过RS232传送到PC104 系统。R4 和D4 完成供电状态的检测，用于检测系统是外部电源供电还是电池供电， 使系统自动调整自动关机或自动待机的等待时间。电路同时提供声光方式的报警及显示功能， 当出现电压过低等情况时， 能以比较醒目的方式进行提醒。PC104 电源板和PC104 系统是本电路的负载。电路中D1 、D2 、D3均为肖特基二极管， 肖特基二极管具有正向压降低、反向恢复时间短等优点; R1 、R2、R3 为1 %精密电阻。

　　2  系统软件设计

　　系统工作时间与电池电量成线性关系， 而电量与电池端电压为非线性关系。图2 所示为本系统所用电池在2 000 mA 恒流放电的情况下， 电池端电压与电量的关系曲线， 其中横轴为电池电压， 纵轴为剩余电量相对于总电量的百分比。根据此曲线， 在MCU 软件中拟合一个电压与电量关系的数据表， 同时设置10 V为告警电压; 系统可以实时查询诸如电池电压、电流、剩余电量、估计供电时间等信息， 并同时仿手机做成3段式显示， 使上位机全面掌握电池状态， 决定控制策略， 从而提高系统运行可靠性。MCU 软件使用KeiluV2 软件开发， 上位机软件使用LabWindow s 软件开发。MCU 除完成电量查询相关功能， 还要完成报警与显示功能; 上位机软件同时要完成环境参数的相关采集与处理。

图2  电池电压与电量关系

　　3  系统测试

　　将该电路应用到实际系统并进行测试。外部电源为DC20 V， 测试内容及测试结果如下:

　　( 1) 充分放电后进行测试， 5. 1 h 完成充电， 理论充电电流2 000 mA， 理论时长4. 8 h， 基本正常;

　　( 2) 所有数据读取正常， 报警及显示功能正常;

　　( 3) 各电压值均在指定范围内， 误差低于 2 %，测试波形稳定;

　　( 4) 2 A 额定电流工作， 各种芯片温度正常， 系统工作正常;

　　( 5) 充满电后， 可以连续使用约4 h;

　　( 6) 外部电源供电时效率约为85 %， 电池供电效率约为90 %。

　　经测试， 该电路在性能上完全满足要求， 并同时可以做到对电池状态准确和实时了解。

　　4  结束语

　　本文从实用角度出发， 设计了一种基于硬件架构和软件控制的便携式设备智能电源模块解决方案。该方案充电速度快、充电电流易调、成本低。实验和测试结果表明， 该方案完全能够满足系统需要， 并且该电源模块具备可见性、可控性和节能性。由于该电路软硬件均具有可裁剪性， 所以该电路适用于各种便携式嵌入式系统等对体积和重量要求较高的应用场合。